Lithium-Polymer-Akkus für Drohnen: So wählen Sie sicher und mit dem richtigen BMS-Schutz

Lithium-Polymer-Akkus für Drohnen: So wählen Sie sicher und mit dem richtigen BMS-Schutz

Drohnen, auch unbemannte Luftfahrzeuge genannt (UAVs), sind für die Zuverlässigkeit der Mission, die präzise Steuerung und den stabilen Flug maßgeblich auf ihre Energiesysteme angewiesen.

Die Batterie ist eine der wichtigsten – und manchmal gefährlichsten – Komponenten überhaupt.

Die Anforderungen an die Batterieleistung steigen parallel zur zunehmenden Leistung und den erweiterten Fähigkeiten der Drohnen.

Aus diesem Grund ist die gebräuchlichste Stromquelle in modernen UAV-Anwendungen Drohne Lithium-Polymer-Batterien.

Lithium-Polymer-Batterien eignen sich aufgrund ihrer starken Entladeeigenschaften, ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Energiedichte perfekt für Flugplattformen.

Diese Vorteile bringen jedoch auch inhärente Gefahren wie Brandgefahr, Aufquellen, Überhitzung und vorzeitiges Versagen mit sich.

Für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb ist das Management der Batteriechemie wichtiger als die Batteriechemie allein.

Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist für den sicheren Betrieb der Batterie unerlässlich.

Während der gesamten Lebensdauer der Batterie ist das Batteriemanagementsystem (BMS) dafür zuständig, deren Verhalten zu überwachen, zu schützen und zu optimieren.

Die Funktion des Batteriemanagementsystems (BMS) wird insbesondere bei Drohnenanwendungen von entscheidender Bedeutung, da die Batterien hohen Entladeströmen, Vibrationen, Temperaturschwankungen und häufigen Ladezyklen ausgesetzt sind.

 

Was sind Lithium-Polymer-Akkus für Drohnen?

Wie ist die chemische Zusammensetzung von Lithium-Polymer-Batterien für Drohnen definiert?

Eine Variante der wiederaufladbaren Lithiumbatterien sind die Lithium-Polymer-Batterien für Drohnen, die anstelle eines herkömmlichen flüssigen Elektrolyten einen Polymerelektrolyten verwenden.

Üblicherweise besteht die innere Struktur aus:

A Kathodehergestellt aus Lithium Metalloxidverbindungen

Ein Anodeüblicherweise aus Graphit bestehen

A Polymer- oder Gelelektrolytdadurch können sich Lithiumionen zwischen den Elektroden bewegen.

A Separatorum Kurzschlüsse zu verhindern

Dünnere Zellen, ein geringeres Gewicht und flexible Geometrien werden durch diese auf Polymeren basierende Konstruktion ermöglicht, die insbesondere bei UAV-Konstruktionen von Nutzen ist, bei denen Masse und Platz einen direkten Einfluss auf die Flugleistung haben.

Worin unterscheiden sich Lithium-Polymer-Akkus von anderen Lithium-Ionen-Akkus?

Obwohl die elektrochemischen Prinzipien von Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien ähnlich sind, bieten Lithium-Polymer-Batterien folgende Vorteile:

Größere Gestaltungsflexibilität

Niedrigerer Innenwiderstand

Höhere Entladekapazitäten

Reduziertes Auslaufrisiko dank Gelelektrolyten

Lithium-Polymer-Batterien sind jedoch auch anfälliger für mechanische Belastung, Tiefentladung und falsches Laden.

Aufgrund dieser Empfindlichkeit ist ein zuverlässiges BMS bei der Verwendung von Drohnen von entscheidender Bedeutung.

Welches Entladungsprinzip liegt Drohnenanwendungen zugrunde?

Während Elektronen durch das Stromversorgungssystem der Drohne fließen, um Motoren, Flugsteuerungen und die Bordelektronik mit Strom zu versorgen, wandern Lithium-Ionen während der Entladung über den Polymerelektrolyten von der Anode zur Kathode.

Dieser Prozess wird während des Drohnenflugs aufgrund der schnellen Gashebeländerungen und des kontinuierlich hohen Stromverbrauchs enorm beansprucht.

Um Spannungseinbrüche, Überhitzung und Zellungleichgewichte – Probleme, die während des Fluges zu einem plötzlichen Leistungsverlust führen könnten – zu verhindern, überwacht das BMS kontinuierlich dieses Entladeverhalten.

 

Welche Vorteile bieten Lithium-Polymer-Batterien im Vergleich zu anderen Batterien?

Warum ist eine hohe Energiedichte für UAVs wichtig?

Längere Flugzeiten und eine höhere Frachtkapazität korrelieren direkt mit einer hohen Energiedichte, die eine größere Energiespeicherung pro Gewichtseinheit ermöglicht.

Jedes eingesparte Gramm Gewicht bei Drohnen erhöht deren Mobilität und Effizienz.

Für Drohnen sind Lithium-Polymer-Batterien die empfohlene Option, da sie ein besseres Energie-Gewichts-Verhältnis bieten als Nickel- oder Bleiakkumulatoren.

Wie verbessert ein geringeres Gewicht die Flugleistung?

Durch die Reduzierung des Batteriegewichts verringert sich die gesamte Startmasse, was Folgendes bewirkt:

Verringert die Motorlast

Reduziert den Stromverbrauch

Verbessert Steigrate und Stabilität

Verlängert die Batterielebensdauer durch geringere Belastung

Durch die Maximierung der Stromzufuhr und die Vermeidung unnötiger Energieverluste verstärkt das BMS diese Vorteile.

Sind Lithium-Polymer-Akkus sicherer als andere Akkutypen?

Bei sachgemäßer Handhabung sind Lithium-Polymer-Batterien sicher, bei unsachgemäßer Verwendung hingegen sind sie von Natur aus instabil.

Die Sicherheit hängt vom Systemschutz ab und nicht nur von der Chemie.

Ein gut konzipiertes Gebäudeleitsystem (BMS) verbessert die Sicherheit durch:

Vermeidung von Überladung und Tiefentladung

Überwachungstemperatur

Strombegrenzung bei anormalen Bedingungen

Ausgleich einzelner Zellen

Selbst die leistungsstärkste Lithium-Polymer-Batterie stellt im Drohnenbetrieb ohne BMS-Schutz ein Risiko dar.

Warum sind die Kosten immer noch ein Wettbewerbsvorteil?

Lithium-Polymer-Batterien sind zwar nicht die günstigste Anschaffungsoption, aber in Kombination mit einem Batteriemanagementsystem (BMS)

Ihre langfristige Zuverlässigkeit und Leistungseffizienz reduzieren die Häufigkeit von Austauschvorgängen und Betriebsausfallzeiten, was zu geringeren Gesamtbetriebskosten führt.

 

Sicherheit von Lithium-Polymer-Batterien in Drohnenanwendungen

Welches Prinzip liegt Bränden von Lithium-Polymer-Batterien zugrunde?

Thermisches Durchgehen, eine Reihe von Ereignissen, die durch extreme Hitze, Überspannung oder interne Kurzschlüsse hervorgerufen werden, ist die Ursache für Brände von Lithium-Polymer-Batterien.

Der Elektrolyt zersetzt sich und setzt brennbare Gase frei, die sich bei Überschreitung sicherer Temperaturgrenzen schnell entzünden können.

Durch die Erkennung gefährlicher Situationen, bevor es zu einem thermischen Durchgehen kommt, spielt das BMS eine entscheidende Rolle.

Warum überhitzen und schwellen Lithium-Polymer-Akkus an?

Häufige Ursachen sind:

Übermäßiger Entladestrom

Überladung jenseits der zulässigen Spannung

Schlechte Wärmeableitung

Zellungleichgewicht

Physische Schäden

Wenn sich infolge chemischer Zersetzung Gase im Inneren der Zelle bilden, kommt es zu einer Schwellung.

Durch die Festlegung strenger Grenzwerte für Spannung, Stromstärke und Temperatur trägt ein BMS zur Verhinderung von Aufblähungen bei.

Welche Sicherheitsmaßnahmen verringern das Brand- und Ausfallrisiko?

Zu den wichtigsten Sicherheitsmaßnahmen gehören:

Hinzufügen Niederspannungsabschaltungum eine Tiefentladung zu verhindern

Verwendung ABC- oder BC-Feuerlöscherbei Bränden von Lithiumbatterien

Vermeidung von mechanischen Schäden und Überlastung

Implementierung eines robusten BMS

Das BMS ist die einzige dieser Methoden, die die Batterieaktivität aktiv in Echtzeit überwacht und reguliert.

 

Wie liest man die Spezifikationen von Lithium-Polymer-Akkus?

Was sagt die Kapazität über die Flugzeit aus?

Die Energiemenge, die eine Batterie speichern kann, wird durch ihre Kapazität angegeben, die in Milliamperestunden (mAh) ausgedrückt wird.

Längere Flugzeiten sind in der Regel mit höherer Kapazität möglich, jedoch nur, wenn der Akku innerhalb sicherer Grenzen entladen wird.

Durch die Verhinderung von Tiefentladungen, die die Lebensdauer der Batterie verkürzen, stellt das BMS sicher, dass die Kapazität effektiv genutzt wird.

Wie wichtig ist die Nennspannung?

Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen bestimmt die Nennspannung.

Die Nennspannung einer einzelnen Lithium-Polymer-Batterie beträgt etwa 3,7 V.

Typischerweise sind Drohnenakkus wie folgt aufgebaut:

3S (11,1V)

4S (14,8 V)

6S (22,2V)

Das BMS überwacht die Spannung jeder einzelnen Zelle separat, um Ungleichgewichte zu vermeiden, die zu einer Instabilität der Drohnen-Stromversorgungssysteme führen können.

Was verrät die Batteriestruktur?

Lithium-Polymer-Batterien sind typischerweise Pouch-Zellen, die:

Gewichtsreduktion

Verbesserung der Energiedichte

Erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Schwellungen und Punktionen

Diese Anordnung macht den BMS-Schutz noch wichtiger für die frühzeitige Erkennung von Ausfallindikatoren.

Wie ist die Entladungsrate zu interpretieren?

Die sichere Stromabgabegeschwindigkeit der Batterie wird durch ihre Entladerate angegeben, die oft auch als C-Rate bezeichnet wird.

Hohe C-Werte sind notwendig, damit Hochleistungsdrohnen aggressive Flugmanöver unterstützen können.

Das Gebäudeleitsystem (BMS) verhindert übermäßige Wärmeentwicklung, indem es sicherstellt, dass die Entladeraten in sicheren Grenzen bleiben.

 

Wie wählt man den richtigen Lithium-Polymer-Akku für seine Drohne aus?

Wie sollte die Akkukapazität den Anforderungen der Drohne entsprechen?

Die Kapazität sollte folgendem entsprechen:

Gewünschte Flugzeit

Nutzlastgewicht

Motorwirkungsgrad

Während ein geringes Fassungsvermögen zu einer tiefen Entladung führt, erhöht ein zu großes Fassungsvermögen das Gewicht.

Durch die Steuerung der Spannungsstabilität und der Entladetiefe trägt das Batteriemanagementsystem (BMS) zur Aufrechterhaltung dieses Gleichgewichts bei.

Warum müssen Spannung und Regler aufeinander abgestimmt sein?

Elektronische Drehzahlregler (ESCs) und Motoren können durch eine falsche Spannungswahl beschädigt werden.

Während des gesamten Fluges sorgt das BMS dafür, dass die Spannung innerhalb sicherer Betriebsgrenzen bleibt.

In welchem ​​Verhältnis steht die Entladerate zum aktuellen Verbrauch?

Der maximale Strombedarf der Drohne muss durch die Entladerate der Batterie übertroffen werden.

Andererseits birgt eine unkontrollierte hohe Entladungskapazität ein erhöhtes thermisches Risiko.

Bei Spitzenlastbedingungen steuert das BMS den Stromfluss, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Warum ist BMS das wichtigste Auswahlkriterium?

Das Batteriemanagementsystem (BMS) hat von allen Variablen den größten Einfluss auf Kapazität, Spannung, Größe und Entladerate:

Flugsicherheit

Batterielebensdauer

Leistungskonsistenz

Fehlervermeidung

Ohne ausreichenden BMS-Schutz sind Lithium-Polymer-Batterien von Drohnen anfällig für katastrophale Ausfälle, Überhitzung und abrupte Spannungseinbrüche.

Das Rohpotenzial der Batterie wird durch ein gut integriertes Batteriemanagementsystem in eine kontrollierte, zuverlässige Leistung umgewandelt, die für UAV-Anwendungen geeignet ist.

 

Warum ein adäquater BMS-Schutz sichere, zuverlässige und langlebige Drohnen-Stromversorgungssysteme gewährleistet

Ein Batterieausfall bei UAV-Operationen stellt nicht nur ein Leistungsproblem, sondern auch ein Sicherheitsrisiko dar.

Lithium-Polymer-Batterien für Drohnen bieten eine unvergleichliche Leistungsabgabe und Energiedichte, aber nur wenn sie von einem leistungsstarken Batteriemanagementsystem gesteuert werden, kann ihr volles Potenzial ausgeschöpft werden.

Dank der Ayaa-Technologie können Drohnen bei anspruchsvollen Missionen länger, sicherer und zuverlässiger fliegen. intelligentes BMS, das Spannung, Stromstärke, Temperatur und Zellgleichgewicht reguliert.

Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Welcher Akku ist besser für Drohnen, ein LiPo- oder ein Li-Ionen-Akku?

A1: Während Li-Ion (Lithium-Ionen-Akkus, z. B. 18650/21700-Zellen) eine höhere Energiedichte für längere Flugzeiten bieten und sich daher besser für die Ausdauer eignen, bieten Li-Po (Lithium-Polymer-Akkus) hohe Leistung, geringes Gewicht und schnelle Impulse für Drohnen.

Lithium-Ionen-Zellen sind jedoch im Allgemeinen sicherer und robuster.

Für Langstreckenflüge und Kartierungszwecke empfiehlt sich Li-Ion, für Rennen und Freestyle LiPo. Berücksichtigen Sie bei kommerziellen Anwendungen und Ausdaueranwendungen die längere Lebensdauer und die höhere Sicherheit von Li-Ion, trotz des höheren anfänglichen Leistungsbedarfs.

F2: Kann ich mit Lithium-Polymer-Akkus fliegen?

A2: Kommerzielle Flugzeuge dürfen LiPo-Akkus mit einer Nennleistung von maximal 100 Wattstunden befördern. LiPo-Akkus mit einer Nennleistung zwischen 101 und 160 Wattstunden müssen vor der Zulassung an Bord von Flugzeugen von der Fluggesellschaft genehmigt werden (diese Genehmigung muss im Voraus eingeholt werden).

Frage 3: Was besagt die 80%-Regel für LiPo-Akkus?

A3: Die 80%-Regel für LiPo-Akkus besagt, dass man sie in einem mittleren Ladezustand halten sollte, z. B. zwischen 20 % und 80 %, um ihre Nutzungsdauer und Sicherheit erheblich zu verlängern, obwohl gelegentlich auch vollständige Ladungen akzeptabel sind.

Hohe Spannungen und extreme Zustände belasten die Batterie, beschleunigen die Alterung und erhöhen das Risiko. Vermeiden Sie daher ein vollständiges Aufladen auf 100 % und eine Tiefentladung unter 20 % (oder im Bereich von 20-80 %).

Frage 4: Welcher Akku ist besser: LiPo oder Li-Ion?

A4: Sowohl Lithium-Ionen- (Li-Ion) als auch Lithium-Polymer-Akkus (Li-Po) sind Varianten derselben Technologie.

Lithium-Ionen-Akkus (zylindrische Zellen) bieten eine höhere Energiedichte und niedrigere Kosten für allgemeine Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, während Lithium-Polymer-Akkus (Pouch-Zellen) aufgrund ihres besseren Energie-Gewichts-Verhältnisses besonders für leichte, flexible und individuell anpassbare Formen für Drohnen, Wearables und schlanke Geräte geeignet sind, allerdings können sie bei extremen Ladezyklen teurer und weniger haltbar sein.

Ihre Entscheidung hängt davon ab, was das Gerät benötigt: Li-Ion wegen der Kosten und der Leistung, Li-Po wegen des Gewichts und des Formfaktors.

Frage 5: Worin besteht der Unterschied zwischen einem 50C- und einem 100C-LiPo-Akku?

A5: Der Hauptunterschied liegt in der Fähigkeit der Batterie, Strom ohne Spannungsabfall zu verarbeiten, wobei die tatsächlichen C-Raten je nach Marke stark variieren.

Ein 50C LiPo bietet ausreichend Leistung für den allgemeinen Gebrauch (Basher, Einsteigermodell), kann aber bei intensiven Anforderungen an seine Grenzen stoßen. Ein 100C LiPo hingegen bietet eine deutlich höhere Spitzenleistung (schnellere Beschleunigung/Kraft) als ein 50C und ist ideal für anspruchsvolle Aufgaben wie FPV-Rennen.

Der reduzierte Innenwiderstand aufgrund einer höheren C-Klassifizierung führt zu einem kühleren Betrieb und verbesserter Leistung unter hoher Belastung.