无人机和高性能电池的未来

“无人机”一词的由来

当您听到“无人机”这个词时，您可能会想到带有螺旋桨（旋翼叶片）的遥控飞机。然而，所有没有飞行员飞行并可以远程作的飞机，无论大小，都被称为无人机（UAV），通常称为无人机。

世界上第一架被称为无人机的无人机是固定翼型的，但如今的主流型号是旋翼飞机，类似于直升机，配备旋翼叶片。 配备三个或更多旋翼的飞机统称为多旋翼，但配备四个、五个和六个旋翼的飞机分别称为四轴飞行器、六轴飞行器和八轴飞行器。目前，多旋翼无人机是最常见的无人机类型。
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无人机的成长

自 1980 年代以来，无人机已经取得了显着的发展，当时大学和研究机构开始开发电动四轴飞行器。由于电池容量低且缺乏紧凑、大功率电机，早期型号使用有线电源。
到 1987 年，一家日本公司推出了世界上第一架工业无线电遥控直升机，被归类为无人机。在 2000 年代后期，陀螺仪、加速度计和锂离子电池等技术进步由于在智能手机中的使用而变得广泛使用，降低了生产成本并加速了无人机的发展。
这些创新以及更轻的四轴飞行器使消费者和行业更容易使用无人机。配备云台相机的无人机在高空拍摄中无需起重机和其他重型设备，从而有助于降低成本，并开始广泛应用于航空摄影和媒体应用。
配备摄像头的无人机的广泛使用也使得远程检查不易到达的地方成为可能，包括但不限于水坝、山脉、桥梁、烟囱、建筑工地和建筑物屋顶。这样的工业无人机大大提高了运营效率。无人机的其他用途包括远程检查、监视、调查和婚礼等纪念摄影。
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无人机在农业中的使用正在扩大，在热像仪和传感器的帮助下可以执行农药喷洒、作物监测和产量预测等任务。这提高了效率和作物质量。大多数工业和农业无人机都使用带有六个或八个旋翼的多旋翼飞行器来确保稳定性和可靠性。
无人机也越来越多地用于娱乐领域，例如无人机赛车，参与者可以远程控制无人机在赛道上导航，同时在无人机高速飞行时体验机载摄像头的实时镜头。
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无人机技术进步面临的挑战

无人机技术的一个关键挑战是飞行时间有限，这主要是由于电池容量造成的。这促使我们研究什么是无人机电池以及它们如何影响飞行性能。开发更轻的车架和更高效的电池对于应对这一挑战至关重要，但功率和重量之间的权衡继续限制了该领域的创新。

无人机电池是什么？

无人机电池通常是锂离子或锂聚合物，旨在提供延长飞行时间所需的电力。使用聚合物电解质的锂聚合物电池重量轻，最初由于其重量优势而广泛应用于无线电遥控飞机。这些电池以其能量密度和轻量化设计而闻名，使其成为无人机应用的理想选择。然而，平衡性能与二级保护保险丝等安全功能对于防止过度充电或燃烧等事故至关重要。

无人机电池能用多久？

无人机的电池寿命因型号而异。消费类无人机每次充电通常飞行 10-30 分钟。飞行时间取决于以下因素： 「电池容量」 「无人机重量 」 「天气状况」 「有效载荷」 高端工业无人机通常携带更多设备，需要强大的电池才能进行相当的飞行时间。虽然更大的电池会增加飞行时间，但增加的重量可以抵消通话时间的增加。 影响无人机电池寿命的关键因素： 「型号类型（消费类与工业用）」 「电池技术」 「环境因素」 「有效载荷重量」

更高的电池电压如何延长无人机飞行时间

为了解决这个问题，优化电池电压而不是简单地增加容量可以显著提高飞行时间。然而，仅仅增加电池容量并不能无限延长飞行时间，因为电池本身的重量也会相应增加。因此，为了进一步延长飞行时间，有必要减轻机身重量并提高电池性能。下一代电池预计将于 2020 年代末至 2030 年代初推出，预计实现超过 1,000 次充放电循环和约 400 Wh/kg 的能量密度。最近已经开发出一种锂离子电池，它通过将 10 个以上的电池连接在一个电池组中来实现几十伏的高电压。在无人机中使用这种高功率电池时，实施安全措施以防止事故非常重要。

无人机最持久的电池是什么？

无人机最持久的电池是那些在最小化重量的同时最大限度地提高能量密度的电池。高压锂离子电池在单个电池组中使用十多个电池，越来越多地用于先进的无人机。这些下一代电池旨在在不牺牲性能或安全性的情况下延长飞行时间，使其成为需要延长运行时间的无人机的首选。

如何制造长电池寿命的无人机

为了延长无人机的电池寿命，工程师必须专注于优化电池和无人机的设计。减轻无人机的整体重量、提高电池能量密度以及采用先进的电源管理系统都是必要的步骤。此外，实施高效的冷却系统来管理飞行过程中产生的热量可以显着提高电池性能和使用寿命。

最后一英里送货无人机

作为无人机不断扩大的工业应用的一部分，最后一英里送货服务越来越受到关注。随着电池技术和飞行效率的进步，无人机越来越多地被主要电子商务公司用于在交付的最后阶段运输货物。

这在货物获取困难的地区尤为重要，无人机送货可以缓解司机短缺和交通拥堵等挑战。
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改进的安全功能对于克服这些障碍和实现更广泛的采用至关重要。为了确保无人机的安全使用，有必要解决坠机、隐私问题和遵守航空法规等问题。​
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商业交付中对无人机的需求不断增长，凸显了对有效安全措施的必要性，例如高压二次保护保险丝。这些保险丝有助于防止事故并有助于提高下一代无人机的整体可靠性。
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无人机电池的主要挑战：安全性、性能和寿命

小型消费类无人机一般使用可充电锂离子或锂聚合物电池。即使在正常温度范围内工作，锂离子电池也会发生放热反应，导致温度迅速升高，可能导致冒烟甚至火灾。如果跌落或受到冲击，电池可能会变形并引发内部短路，从而导致燃烧。对于多电池充电器（允许用户更改设置的充电器），应该注意的是，电池不平衡或充电设置电压不正确可能会引发过度充电。因此，市售锂离子电池必须设计有保护电路和其他安全功能。
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更高的电池电压可延长飞行时间

此外，未来无人机在航拍以外的更多领域得到广泛应用，目前30至40分钟左右的飞行时间过短是一个主要问题。这主要是由于电池容量有限。无人机电池需要保持必要的输出特性，以确保从起飞到降落的稳定飞行。因此，未来的无人机电池需要在保持这些输出特性的同时，提高能量密度。
然而，仅仅增加电池容量也会增加电池本身的重量，因此飞行时间无法超过一定限度。所以，为了进一步延长飞行时间，必须减轻飞行器的重量并改善电池自身的性能。
在此背景下，许多制造商正致力于提高锂离子电池的充电电压并降低其内阻。由于单位重量电池能量的增加直接转化为无人机飞行时间的延长，因此市场对更高电池容量、更轻的重量、更高的能量密度和更高的最大输出功率的需求日益增长。其他问题还包括如何在各种温度环境下（包括低温和高温）安全使用电池，以及延长电池的使用寿命。
据称，下一代电池目前的研发目标包括超过 1000 次的充放电循环能力和 400Wh/kg 的能量密度，目标是在 2020 年代末或 2030 年代实现。
电池性能的提升将大幅延长无人机飞行时间。例如，如果目前一架无人机使用250Wh/kg的电池，飞行时间为30分钟，那么在电池容量相同的情况下，400Wh/kg的电池可以延长飞行时间至48分钟，500Wh/kg的电池可以延长至60分钟，而1000Wh/kg的电池则可以延长至120分钟。以配送无人机为例，据说如果无人机飞行时间超过60分钟，就能覆盖整个现有配送区域，而无需增加充电站的数量。（假设有效载荷为2kg，在日本境内）
近年来，锂离子电池不断发展，通过将10个或更多电芯连接成一个电池组，可以实现数十伏的高电压，因此人们开始考虑将其应用于无人机。在无人机中使用此类高输出电池时，采取安全措施以防止事故发生至关重要。
Dexerials 开发的自控保护器 (SCP) 是一种元件，可在锂离子电池出现问题（例如过充）的极小概率事件中安全地切断电路。​关于SCP。

高压二次保护保险丝在下一代无人机中的重要性

Dexerials的自控保护器（SCP）是一种次级保护保险丝，设计用于在锂离子电池发生过载或过流时安全断开电路。（有关SCP的更多信息，请参阅本文。）SCP通过在电池不稳定且主保护功能不正常时切断电路来确保安全。SCP的职责是立即停止不稳定电池的运行，并安全地将其与电路断开。
保险丝是一种广泛应用于电气设备的保护元件。它通过用焦耳热在过电流中熔化熔断熔断器元件来切断电路。然而，对于锂离子电池来说，不仅要考虑过电流，还要考虑过充。自1994年推出以来，Dexerials的SCP已被公认为锂离子电池二级保护保险丝的标准组件，截至2022年3月，已出货超过25亿件。
由于锂离子电池中的电解质由易燃有机溶剂组成，过载可能导致火灾和/或爆炸危险。因此，锂离子电池内置了二次保护，确保此类事故不会发生。
在处理无人机时，关闭电源以防止飞行中过度放电可能导致无人机坠毁。因此，高强度的锂离子电池更适合无人机，尽管无人机更容易因外部冲击短路。为了获得所需的性能，电池之间必须在一定程度上连接，同时防止短路并避免因过充导致的事故。如本文所述，安全措施可通过将充电电路与放电电路分离，并仅在充电电路内安装保险丝来实现。因此，无需担心电力中断时无人机坠毁。
随着无人机的技术日益先进，电池电压必然会上升。本文解释了如何在高压设备中使用SCP构建保护电路。Dexerials凭借其专业知识，可以帮助确保锂离子电池的安全，因为高电流高压锂离子电池正日益被无人机使用。
​高压锂离子电池的元件二次保护技术

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