Die Zukunft von Drohnen und Hochleistungsbatterien

Woher kommt das Wort "Drohne"

Wenn Sie das Wort "Drohne" hören, denken Sie wahrscheinlich an ein ferngesteuertes Flugzeug mit Propellern (Rotorblättern). Alle Flugzeuge, unabhängig von ihrer Größe, die ohne Pilot fliegen und ferngesteuert werden können, werden jedoch als unbemanntes Luftfahrzeug (UAV) bezeichnet, allgemein bekannt als Drohne.

Das erste unbemannte Flugzeug der Welt, das als Drohne bezeichnet wird, war ein Starrflügler, aber die heutigen Mainstream-Modelle sind Drehflügler, ähnlich wie Hubschrauber, die mit Rotorblättern ausgestattet sind. Ein Flugzeug, das mit drei oder mehr Rotoren ausgestattet ist, wird zusammenfassend als Multicopter bezeichnet, aber mit vier, fünf bzw. sechs Rotoren werden Quadcopter, Hexacopter und Oktokopter genannt. Derzeit sind Multicopter-Drohnen die häufigste Art von Drohnen.
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Das Wachstum von Drohnen

Drohnen haben sich seit den 1980er Jahren, als Universitäten und Forschungseinrichtungen mit der Entwicklung von elektrischen Quadcoptern begannen, erheblich weiterentwickelt. Frühe Modelle verwendeten aufgrund der geringen Batteriekapazität und des Mangels an kompakten, leistungsstarken Motoren kabelgebundene Netzteile.
Im Jahr 1987 startete ein japanisches Unternehmen den weltweit ersten industriellen ferngesteuerten Hubschrauber, der als Drohne klassifiziert wurde. In den späten 2000er Jahren wurden technologische Fortschritte, darunter Gyroskope, Beschleunigungsmesser und Lithium-Ionen-Batterien, aufgrund ihrer Verwendung in Smartphones weit verbreitet, was die Produktionskosten senkte und die Entwicklung von Drohnen beschleunigte.
Diese Innovationen, zusammen mit leichteren Quadcoptern, machten Drohnen sowohl für Verbraucher als auch für die Industrie zugänglicher. Drohnen, die mit Gimbal-Kameras ausgestattet sind, trugen zu Kostensenkungen bei, indem sie Kräne und anderes schweres Gerät bei Höhenaufnahmen überflüssig machten, und sie wurden in großem Umfang in Luftaufnahmen und Medienanwendungen eingesetzt.
Der weit verbreitete Einsatz von mit Kameras ausgestatteten Drohnen hat es auch ermöglicht, Orte aus der Ferne zu überprüfen, die nicht leicht zugänglich sind, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Dämme, Berge, Brücken, Schornsteine, Baustellen und Gebäudedächer. Solche Industriedrohnen verbessern die betriebliche Effizienz erheblich. Weitere Anwendungen für Drohnen sind Ferninspektionen, Überwachung, Vermessungen und Gedenkfotografie wie Hochzeiten.
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Der Einsatz von Drohnen in der Landwirtschaft nimmt zu und ermöglicht mithilfe von Wärmebildkameras und Sensoren Aufgaben wie das Versprühen von Pestiziden, die Überwachung von Nutzpflanzen und die Ertragsprognose. Dies verbessert die Effizienz und die Erntequalität. Die meisten Industrie- und Agrardrohnen nutzen Multikopter mit sechs oder acht Rotoren für Stabilität und Zuverlässigkeit.
Drohnen werden auch zunehmend in der Unterhaltungsbranche eingesetzt, beispielsweise bei Drohnenrennen, bei denen die Teilnehmer Drohnen ferngesteuert durch die Strecken navigieren und dabei Echtzeitaufnahmen von Bordkameras sehen, während die Drohnen mit hoher Geschwindigkeit fliegen.
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Fortschrittliche Herausforderungen für die Drohne

Eine zentrale Herausforderung der Drohnentechnologie ist die begrenzte Flugzeit, vor allem aufgrund der Akkukapazität. Daher untersuchen wir, was Drohnenakkus sind und wie sie die Flugleistung beeinflussen. Die Entwicklung leichterer Rahmen und effizienterer Akkus ist unerlässlich, um diese Herausforderung zu meistern. Der Kompromiss zwischen Leistung und Gewicht schränkt jedoch weiterhin Innovationen in diesem Bereich ein.

Was ist eine Batterie für Drohne?

Drohnenakkus, häufig Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkus, sind darauf ausgelegt, die nötige Leistung für längere Flugzeiten zu liefern. Lithium-Polymer-Akkus, die einen Polymerelektrolyt verwenden, sind leicht und wurden aufgrund ihres Gewichtsvorteils ursprünglich häufig in ferngesteuerten Flugzeugen eingesetzt. Diese Akkus zeichnen sich durch ihre Energiedichte und ihr geringes Gewicht aus und eignen sich daher ideal für Drohnenanwendungen. Die Abstimmung von Leistung und Sicherheitsfunktionen wie Sekundärsicherungen ist jedoch entscheidend, um Unfälle wie Überladung oder Brand zu vermeiden.

Wie lange halten Drohne?

Die Akkulaufzeit von Drohnen variiert je nach Modell erheblich. Verbraucherdrohnen fliegen typischerweise 10 bis 30 Minuten pro Ladung. Die Flugzeit hängt von Faktoren wie Akkukapazität, Drohne, Wetterbedingungen und Nutzlast ab. Hochwertige Industriedrohnen transportieren oft mehr Ausrüstung und benötigen daher leistungsstarke Akkus für vergleichbare Flugzeiten. Größere Akkus verlängern zwar die Flugzeit, das zusätzliche Gewicht kann jedoch die Flugzeitgewinne zunichtemachen. Wichtige Faktoren, die die Akkulaufzeit beeinflussen, sind: Modelltyp (Verbraucher- vs. Industriedrohnen), Akkutechnologie, Umweltfaktoren und Nutzlastgewicht.

Wie eine höhere Batteriespannung die Flugzeit Drohne verlängert

Um dieses Problem zu lösen, kann die Flugzeit deutlich verbessert werden, indem die Batteriespannung optimiert wird, nicht einfach die Kapazität erhöht wird. Eine Erhöhung der Batteriekapazität allein verlängert die Flugzeit jedoch nicht unbegrenzt, da sich das Gewicht der Batterie entsprechend erhöht. Um die Flugzeit weiter zu verlängern, muss daher das Gewicht der Flugzeugzelle reduziert und die Leistung der Batterie verbessert werden. Batterien der nächsten Generation, die voraussichtlich zwischen den späten 2020er und frühen 2030er Jahren auf den Markt kommen, werden Prognosen zufolge einen Lade-/Entladezyklus von über 1.000 Zyklen und eine Energiedichte von etwa 400 Wh/kg erreichen. Kürzlich wurden Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, die durch die Verbindung von mehr als 10 Zellen in einem einzigen Batteriepack hohe Spannungen von mehreren zehn Volt erreichen. Beim Einsatz derartiger Hochleistungsbatterien in Drohnen müssen unbedingt Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, um Unfälle zu vermeiden.

Welcher Drohnenakku hält am längsten?

Die langlebigsten Akkus für Drohnen sind solche, die die Energiedichte maximieren und gleichzeitig das Gewicht minimieren. Hochvolt-Lithium-Ionen-Akkus, die mehr als zehn Zellen in einem Akkupack enthalten, werden zunehmend in modernen Drohnen eingesetzt. Diese Akkus der nächsten Generation sind darauf ausgelegt, die Flugzeit zu verlängern, ohne dabei Leistung oder Sicherheit zu beeinträchtigen. Daher sind sie die bevorzugte Option für Drohnen mit längeren Betriebszeiten.

So bauen Sie eine Drohne mit langer Akkulaufzeit

Um die Akkulaufzeit von Drohnen zu verlängern, müssen sich Ingenieure auf die Optimierung sowohl des Akkus als auch des Designs der Drohne konzentrieren. Die Reduzierung des Gesamtgewichts der Drohne, die Verbesserung der Batterieenergiedichte und die Integration fortschrittlicher Energiemanagementsysteme sind notwendige Schritte. Darüber hinaus kann die Implementierung effizienter Kühlsysteme zur Steuerung der während des Fluges erzeugten Wärme die Leistung und Langlebigkeit der Batterie erheblich verbessern.

Drohnen für die Zustellung auf der letzten Meile

Im Zuge der zunehmenden industriellen Drohnenanwendungen gewinnen Last-Mile-Lieferdienste zunehmend an Bedeutung. Dank der Fortschritte in der Batterietechnologie und der Flugeffizienz werden Drohnen zunehmend von großen E-Commerce-Unternehmen für den Transport von Waren in der letzten Lieferphase eingesetzt.

Dies ist insbesondere in Regionen wichtig, in denen der Zugang zu Waren schwierig ist, und Drohnenlieferungen könnten Herausforderungen wie Fahrermangel und Verkehrsstaus lindern.
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Verbesserte Sicherheitsfunktionen sind entscheidend, um diese Hindernisse zu überwinden und eine breitere Akzeptanz zu ermöglichen. Um den sicheren Einsatz von Drohnen zu gewährleisten, müssen Probleme wie Abstürze, Datenschutzbedenken und die Einhaltung von Luftfahrtvorschriften berücksichtigt werden. ​
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Die steigende Nachfrage nach Drohnen im gewerblichen Lieferverkehr unterstreicht die Notwendigkeit wirksamer Sicherheitsmaßnahmen wie Hochspannungs-Sekundärschutzsicherungen. Diese Sicherungen tragen dazu bei, Unfälle zu verhindern und die allgemeine Zuverlässigkeit von Drohnen der nächsten Generation zu erhöhen.
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Wichtige Herausforderungen bei Drohnenbatterien: Sicherheit, Leistung und Langlebigkeit

Kleine Verbraucherdrohnen verwenden in der Regel wiederaufladbare Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkus. Selbst im normalen Temperaturbereich können Lithium-Ionen-Akkus exotherm reagieren und einen schnellen Temperaturanstieg verursachen, der zu Rauchentwicklung oder sogar Feuer führen kann. Bei Stürzen oder Stößen kann sich die Zelle verformen und einen internen Kurzschluss auslösen, der zu einer Verbrennung führen kann. Bei einem Multi-Akku-Ladegerät (mit benutzerseitig veränderbaren Einstellungen) ist zu beachten, dass ein Ungleichgewicht der Zellen oder eine falsche Ladespannung eine Überladung auslösen kann. Aus diesem Grund müssen handelsübliche Lithium-Ionen-Akkus mit Schutzschaltungen und anderen Sicherheitsfunktionen ausgestattet sein.
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Höhere Akkuspannungen für längere Flugzeiten

Um Drohne künftig auch für andere Anwendungen als Luftbildaufnahmen breiter einzusetzen, stellt die kurze Flugzeit von etwa 30 bis 40 Minuten ein großes Problem dar. Dies liegt hauptsächlich an der begrenzten Akkukapazität. Drohne müssen die erforderlichen Leistungseigenschaften für einen stabilen Flug vom Start bis zur Landung gewährleisten. Daher müssen zukünftige Drohne ihre Energiedichte verbessern, ohne diese Leistungseigenschaften zu beeinträchtigen.
Eine Erhöhung der Akkukapazität führt jedoch auch zu einem höheren Akkugewicht, wodurch die Flugzeit ab einem gewissen Punkt nicht mehr verlängert werden kann. Um die Flugzeit weiter zu erhöhen, ist es daher notwendig, das Gewicht des Fluggeräts zu reduzieren und die Eigenschaften des Akkus selbst zu verbessern.
Vor diesem Hintergrund arbeiten viele Hersteller daran, die Ladespannung von Lithium-Ionen-Batterie zu erhöhen und deren Innenwiderstand zu verringern. Da eine höhere Energiedichte pro Gewichtseinheit des Akkus direkt zu einer längeren Flugzeit Drohne führt, besteht Bedarf an höherer Zellkapazität, geringerem Gewicht, verbesserter Energiedichte und höherer maximaler Leistungsdichte. Weitere Herausforderungen sind die sichere Verwendung der Akkus in unterschiedlichen Temperaturbereichen, einschließlich niedriger und hoher Temperaturen, sowie die Verlängerung ihrer Lebensdauer.
Zu den aktuellen Entwicklungszielen für Batterien der nächsten Generation gehören angeblich eine Lade-/Entladekapazität von mehr als 1.000 Zyklen und eine Energiedichte von 400 Wh/kg, die in den späten 2020er oder 2030er Jahren erreicht werden sollen.
Verbesserungen der Akkuleistung werden die Flugzeiten Drohne erheblich verlängern. Beispielsweise würde eine Drohne mit einer aktuellen Kapazität von 250 Wh/kg und einer Flugzeit von 30 Minuten mit einem 400-Wh/kg-Akku 48 Minuten, mit einem 500-Wh/kg-Akku 60 Minuten und mit einem 1.000-Wh/kg-Akku sogar 120 Minuten ermöglichen. Im Falle von Drohne wird davon ausgegangen, dass Drohne die länger als 60 Minuten fliegen können, das gesamte aktuelle Liefergebiet abdecken können, ohne dass die Anzahl der Ladestationen erhöht werden muss. (Angenommen, die Nutzlast beträgt 2 kg innerhalb Japans.)
In den letzten Jahren wurden Lithium-Ionen-Batterie entwickelt, die durch die Kombination von zehn oder mehr Zellen in einem einzigen Akkupack hohe Spannungen von mehreren zehn Volt erreichen. Ihr Einsatz in Drohne wird zunehmend in Betracht gezogen. Bei der Verwendung solcher Hochleistungsakkus in Drohne sind Sicherheitsmaßnahmen zur Unfallverhütung unerlässlich.
Der von Dexerials entwickelte Selbstkontrollschutz (SCP) ist ein Element, das den Stromkreis im unwahrscheinlichen Fall eines Problems mit Lithium-Ionen-Batterie, wie z. B. Überladung, sicher abschaltet.​ auf SCP.

Die Bedeutung von Hochspannungs-Sekundärschutzsicherungen in Drohnen der nächsten Generation

Dexerials' Self Control Protector (SCP) ist eine sekundäre Schutzsicherung, die dazu entwickelt wurde, den Stromkreis im Falle einer Überladung oder Überstrom in einer Lithium-Ionen-Batterie sicher abzuschalten. (siehe diesen Artikel für weitere Informationen zu SCPs). SCP gewährleistet die Sicherheit, indem es den Stromkreis abschaltet, wenn die Batterie instabil ist und der primäre Schutz nicht ordnungsgemäß funktioniert. Die Aufgabe des SCP besteht darin, den Betrieb einer instabilen Batterie sofort zu stoppen und sie sicher vom Stromkreis zu trennen.
Eine Sicherung ist eine Schutzkomponente, die weit verbreitet in elektrischen Geräten verwendet wird. Er schaltet einen Stromkreis ab, indem das Sicherungselement mit Joule-Wärme in einem Überstrom geschmolzen wird. Im Fall von Li-Ionen-Batterien ist es jedoch notwendig, nicht nur Überstrom, sondern auch Überladung zu berücksichtigen. Seit seiner Einführung im Jahr 1994 wird das SCP von Dexerials als Standardkomponente sekundärer Sicherungen für Li-Ionen-Batterien anerkannt, mit über 2,5 Milliarden ausgelieferten Stücken bis März 2022.
Da die Elektrolyte in Li-Ionen-Batterien aus brennbarem organischem Lösungsmittel bestehen, kann dies bei Überladung zu Brand- und/oder Explosionsgefahren führen. Daher ist in Lithium-Ionen-Batterien ein sekundärer Schutz eingebaut, um solche Unfälle zu vermeiden.
Bei Drohnen könnte das Abschalten der Stromversorgung, um Überentladung während des Flugs zu verhindern, zu einem Absturz führen. Daher ist eine hochrobuste Lithium-Ionen-Batterie für Drohnen besser geeignet, obwohl diese anfälliger für Kurzschlüsse durch äußere Schocks sind. Um die erforderliche Leistung zu erzielen, müssen die Zellen bis zu einem gewissen Grad miteinander verbunden sein, um Kurzschlüsse zu verhindern und Unfälle durch Überladung zu vermeiden. Wie in diesem Artikel beschrieben, können Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, indem der Ladekreis vom Entladekreis getrennt und eine Sicherung nur im Ladekreis installiert wird. Daher muss man sich keine Sorgen machen, dass die Drohne abstürzt, wenn die Stromversorgung ausfällt.
Wenn Drohnen immer ausgefeilter werden, ist es sicher, dass ihre Batteriespannungen steigen werden. Dieser Artikel erklärt, wie man eine Schutzschaltung mit SCPs in Hochspannungsgeräten baut. Dexerials kann mit seiner Expertise die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien gewährleisten, da Hoch- und Hochspannungs-Lithium-Ionen-Batterien zunehmend in Drohnen eingesetzt werden.
​Sekundärschutz Element-Technologie für Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Spannung

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