半固体電池が従来のUAV用リチウムポリマー電池よりも優れている理由
標準的なUAV用LiPoバッテリーは、産業用途では故障する可能性がある。
内部抵抗が高いため、電圧降下が深刻になる。ピーク負荷時には、セルあたり最大0.4Vまで電圧が低下することがある。高C放電レートはセルの劣化を急速に促進する。これは、重量物の吊り上げ作業中によく見られる現象である。
熱の蓄積により電解液が劣化します。これにより、150サイクル以内に15%を超える膨張率が発生します。セル間のばらつきはショートボード効果を引き起こします。いずれかのセルの電圧が3.0Vを下回ると、フライトコントローラーがフェイルセーフを作動させます。ドローンは直ちに着陸しなければなりません。これは、他のセルが満充電の状態であっても発生します。
半固体電池はこの問題を解決する。
揮発性液体をポリマーマトリックスに置き換える。細胞レベルで エネルギー密度 エネルギー密度は300～350Wh/kgに達します。この化学組成により、放電曲線は平坦になります。電圧は飛行時間の85%において3.6V以上を維持します。
-20℃から60℃までの温度範囲で安定した性能を発揮します。500サイクルにわたってパックの膨張率は1%未満に低下します。これにより、全体的な性能が向上します。 サイクル寿命 大幅。
半固体電池を標準のLiPoプロファイルで充電しないでください。半固体電池は0.02Cの低い終止電流が必要です。わずか30mVの過充電でもリチウム析出が発生し、アノードが損傷します。 熱暴走。
UAVバッテリーシステムのテレメトリボトルネックの解消
BMSとテレメトリーボードのどちらを選択するかによって、飛行の安全性が左右される。
アクティブな BMS インラインMOSFETスイッチを使用しています。これらのスイッチは、過電流や過熱が発生した場合に電源を遮断します。この動作はバッテリーを保護しますが、ドローンの性能を損ないます。
飛行中に電源が遮断されると、即座に墜落する。ハードウェアエンジニアは、このような単一障害点を嫌う。高価なペイロードが危険にさらされるからだ。
テレメトリー監視ボードは、より安全な方法を提供する。
放電ライン上のインライン電源スイッチは省略されている。代わりに、セル電圧と温度を連続的に測定し、そのデータを自動操縦装置に直接送信する。
故障が発生した場合、フライトコントローラーが対応を決定します。制御された帰還（RTL）を実行することで、エンジン停止による壊滅的な落下を防ぎます。
VTOLのような特殊プラットフォームを検討してください。Autel Dragonfish UAVを使用した高耐久性プラットフォーム電池 極めて高い信頼性が求められる。バッテリーシステムは、電力供給が途切れることなく常に通信を続けなければならない。これにより、航空機は遷移段階においても安定した状態を維持できる。
異なるドローンバッテリーサイズをオートパイロットファームウェアに統合する
異なるドローン用バッテリーサイズを設定するには、ファームウェアの精密な調整が必要です。
ArduPilotとPX4は、専用のパラメータを使用してこれを処理します。並列接続の場合は、ArduPilotで`BATT_MONITOR=8`を設定してください。これにより、DroneCANテレメトリの追跡が可能になります。
オートパイロットは両方のバッテリーパックからデータを集約し、総消費電流を計算します。また、セル電圧の差も追跡します。`BATT_ARM_VOLT`を安全な最小作動電圧に設定してください。12Sパックの場合は、44.4Vに設定してください。
エンジニアは、カスタムリンクを設計する際に、UAV用バッテリーを探すことがあります。UAV本体またはUAV用バッテリーを統合する場合は、コネクタの物理的な制限を確認してください。並列接続されたバッテリーパックの仕様が一致していないと、突入電流が非常に大きくなります。
セルあたりの電圧差が0.1Vを超えると、電流は400Aを超える可能性があります。これによりコネクタが溶け、プリント基板の配線が瞬時に蒸発する恐れがあります。
セル電圧差が0.1Vを超える並列パックをブリッジ接続しないでください。制御されていない内部均等化電流は、セルセパレータや溶接されたニッケル製バスバーを容易に劣化させ、連鎖的な熱故障を引き起こします。
無人航空機用バッテリーのノイズ耐性通信の確保
標準的なI2CおよびSMBusプロトコルは、産業用ドローンでは機能しない。
これらはシングルエンドの論理信号を使用します。大電流モーターラインは強い電磁干渉（EMI）を発生させます。このノイズはデータフレームを破損させます。
バッテリーのテレメトリループがフリーズし、オートパイロットがバッテリー容量を認識できなくなります。DroneCANはこの問題を解決します。
DroneCANは差動CAN 2.0B信号方式を採用しています。
論理状態は2本のワイヤ間の電圧差に依存します。EMIは両方のワイヤに均等に影響を与えます。電圧差は変化しません。これにより、完全な同相ノイズ除去が実現されます。
地上業務もスマートな統合の恩恵を受ける。充電ステーション 無人航空機用バッテリー 接続できます グリッド接続型 マイクログリッド。バッテリーエネルギー貯蔵と ピークシェービング この機能は、光熱費を削減します。また、地域の電力網に過負荷をかけることなく、大電流による急速充電を可能にします。
産業現場における故障の軽減と規制遵守
現場での故障を防ぐには、工場での段階から対策を講じることが重要です。
セルは極めて高い精度でマッチングされなければなりません。内部抵抗の差は0.2mΩ未満、容量のばらつきは1%未満である必要があります。
筐体は堅牢でなければなりません。UL94-V0規格に準拠したポリカーボネート製の筐体を使用してください。IP67規格に準拠した防水・防塵性能を確保してください。極寒環境で使用する場合は、内部にヒーターを追加してください。離陸前にパックを15℃まで温める必要があります。これにより、負荷がかかった際の電圧降下を防ぐことができます。
調達担当者は、出荷に関する法令遵守状況を確認しなければならない。
UN 38.3試験概要がない場合、通関手続きが停止されます。産業安全の観点からは、IEC 62619認証を要求してください。
ヨーロッパでは、（EU）2023/1542規則が施行されています。この規則では、デジタルバッテリーパスポートが義務付けられており、二酸化炭素排出量と原材料の供給源を追跡します。
| 標準 | 対象アプリケーション | 主要なテスト要件 | 産業用UAVにおける重大なギャップ |
|---|---|---|---|
| IEC 62133-2 | 携帯型家電製品、ノートパソコン、電動工具 | 基本的な熱負荷試験、振動試験、落下試験、および外部短絡試験 | 高エネルギー熱伝播の試験は行っておらず、100Whを超えるバッテリーパックには不十分である。 |
| IEC 62619 | 産業機械、フォークリフト、および固定式倉庫 | 強制的な内部短絡（セル穿孔）および熱伝播抵抗 | 商用航空機の規制遵守に必須。単一セルの故障がプラットフォームを破壊しないことを保証する。 |
| そして38.3 | 輸送の安全性（航空貨物／海上貨物） | 高度シミュレーション、熱試験、振動、衝撃、および外部短絡 | 輸送には法的義務が必要であり、有効な試験概要書（TS）がない場合、税関港で押収される。 |
| (EU) 2023/1542 | 欧州市場へのアクセス（2026年開始予定） | カーボンフットプリント宣言、サプライチェーンデューデリジェンス、デジタルバッテリーパスポート | EU域内で導入される2kWhを超えるバッテリーには義務付けられており、原材料とリサイクルに関する指標を追跡する。 |
従来のリチウムポリマー電池とセミソリッドステート電池を比較してみましょう。セミソリッドステート電池は、40分以上のミッションに対応できる高いエネルギー密度を提供します。
船体損失許容度に応じて、アクティブ電源絶縁型またはゼロカットオフ型のテレメトリ監視ボードを選択してください。
ノイズ耐性のある差動CAN 2.0BまたはDroneCANを設定してください。これにより、高出力モーター付近での信号途切れを防ぐことができます。
バッテリーアセンブリに有効なUN 38.3レポートが添付されていることを確認してください。IEC 62619安全認証およびEUバッテリーパスポート登録についても確認してください。
カスタムUAVバッテリーソリューションの設計
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当社のカスタムUAVバッテリー設計およびOEMサービスをご覧ください。技術的な詳細解説に関するよくある質問
1. テレメトリ専用のモニタリングボードは、充電中にパッシブセルバランシングを実行できますか？
はい。テレメトリ専用のモニタリングボードには、バイパス抵抗が内蔵されています。通常、30mAから100mAの電流を消費します。これにより、定電圧充電フェーズ中にパッシブバランス調整を行うことができます。
しかし、これらのバッテリーには充電経路を終端するための直列接続されたパワーMOSFETがありません。そのため、SMBusまたはDroneCANを介してセル電圧のテレメトリデータを送信する必要があります。これにより、インテリジェントな地上充電ステーションは充電電流を徐々に減らすか、停止するように指示されます。これは、いずれかのセルが4.2Vに達したときに発生します。
2. スマートBMSはなぜインラインMOSFETを使用するのか、また、それは飛行の安全性にどのような影響を与えるのか？
スマートBMSは、負帰還経路にNチャネルMOSFETを逆並列接続して使用します。これらは固体スイッチとして機能し、セル電圧が2.8Vを下回るとゲートが放電します。
電流が事前に設定された閾値を超えた場合にも同様の現象が発生します。数マイクロ秒以内に回路が物理的に遮断されます。これによりバッテリーセルは保護されますが、無人航空機への推進力が瞬時に遮断されます。結果として、回復不能な空中墜落事故が発生します。
3. DroneCAN通信は、EMIノイズ耐性に関して、標準のSMBusと比べてどうですか？
SMBusはシングルエンドのオープンドレインバスとして動作します。プルアップインピーダンスが高いため、近くのESC電源ラインからのカップリングの影響を非常に受けやすくなっています。これらの電源ラインは高周波スイッチング電流を流しています。
DroneCANはCAN 2.0B物理層上で動作します。120Ω終端の差動ツイストペアケーブルを使用し、受信機は電圧差のみを評価します。これにより、コモンモード電磁ノイズが除去されます。
4. 半固体型蓄電池の実用的な比エネルギー密度のベンチマークは何ですか？
セルレベルでは、シリコンカーボン負極を用いた半固体電池は330 Wh/kgから350 Wh/kgのエネルギー密度を達成する。しかし、パック全体の重量はそれよりも重くなる。
カーボンファイバー製の筐体、内部断熱材、発熱体、コネクタなどを考慮する必要があります。そのため、実際のパックレベルの比エネルギー密度は260 Wh/kgから290 Wh/kgの範囲となります。
5. ArduPilotでマルチパック並列バッテリー監視を適切に設定するにはどうすればよいですか？
両方のバッテリー通信ポートをフライトコントローラーのCANバスに接続します。ArduPilotで、プライマリモニターパラメータ`BATT_MONITOR=8`を設定します。セカンダリモニターパラメータ`BATT2_MONITOR=8`を設定します。
オートパイロットは、各バッテリーパックに固有のCANノードIDを割り当てます。電流値を合計するには、`BATT_SUM_MASK`を設定してください。これにより、個々のセルの電圧最小値を追跡しながら、総電流値が表示されます。
6. IEC 62133-2とIEC 62619の適合性試験の主な違いは何ですか？
IEC 62133-2は、携帯型・手持ち型の民生機器向けに設計されています。落下や外部短絡といった、電池の単純な損傷に重点を置いています。
IEC 62619は産業グレードの安全規格です。この規格では、物理的な熱伝播試験が義務付けられています。IEC 62619では、単一のセルを熱暴走状態にします。パックは、熱事象を封じ込めた場合にのみ合格となります。発火や隣接セルへの熱伝播を防ぐ必要があります。
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AYAAアプリケーションエンジニアまで無料相談をご依頼ください。技術参考資料および規格
- DroneCANプロジェクト： DroneCANの開発およびプロトコル仕様（CAN 2.0Bの実装）
- ArduPilot開発者向けWiki： AP_BattMonitorクラスおよびマルチパックバッテリードライバ
- PX4オートパイロットガイド： スマートバッテリードライバ、batt_smbus統合、および低バッテリーフェイルセーフ
- システム管理バス: SMBus仕様バージョン1.1インターフェースドキュメント
- 国際電気標準会議： IEC 62619：産業用途向け二次リチウム電池の安全要件
- 国連基準： 国連試験基準マニュアル - セクション38.3：リチウム金属電池およびリチウムイオン電池の輸送試験
- 欧州連合法： 電池および廃電池に関する規則（EU）2023/1542