無人機和高性能電池的未來

「無人機」一詞的由來

當您聽到「無人駕駛飛行器」（drone）一詞時，您可能會聯想到有螺旋槳（旋翼）的遙控飛機。然而，所有無論大小、無需駕駛員飛行且可遙控操作的飛機都被稱為無人駕駛飛行器 (UAV)，也就是一般所說的無人駕駛飛機。

世界上第一架被稱為無人機的無人機是固定翼型，但今天的主流型號是旋翼飛機，類似於直升機，配備旋翼葉片。 配備三個或更多旋翼的飛機統稱為多旋翼，但配備四個、五個和六個旋翼的飛機分別稱為四軸飛行器、六軸飛行器和八軸飛行器。目前，多旋翼無人機是最常見的無人機類型。
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無人機的成長

自 1980 年代以來，無人機已經取得了顯著的發展，當時大學和研究機構開始開發電動四軸飛行器。早期型號由於電池容量低且缺乏緊湊、高功率的電機，因此使用有線電源。
到 1987 年，一家日本公司推出了世界上第一架工業無線電遙控直升機，被歸類為無人機。2000 年代後期，陀螺儀、加速度計和鋰離子電池等技術進步因在智能手機中的使用而廣泛使用，降低了生產成本並加速了無人機的發展。
這些創新以及更輕的四軸飛行器使消費者和產業更容易使用無人機。配備雲台相機的無人機在高空拍攝中無需起重機和其他重型設備，有助於降低成本，並開始廣泛應用於航空攝影和媒體應用。
配備攝像頭的無人機的廣泛使用也使得遠程檢查不易到達的地方成為可能，包括但不限於水壩、山脈、橋樑、煙囪、建築工地和建築物屋頂。這種工業無人機大大提高了運營效率。無人機的其他用途包括遠程檢查、監視、調查和婚禮等紀念攝影。
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無人機在農業中的使用正在擴大，在熱像儀和感測器的幫助下可以執行農藥噴灑、作物監測和產量預測等任務。這提高了效率和作物品質。大多數工業和農業無人機都使用帶有六個或八個旋翼的多旋翼飛行器來確保穩定性和可靠性。
無人機也越來越多地用於娛樂領域，例如無人機賽車，參與者可以遠程控制無人機在賽道上導航，同時在無人機高速飛行時體驗機載攝像頭的實時鏡頭。
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無人機技術進步面臨的挑戰

無人機技術的一個關鍵挑戰是飛行時間有限，這主要是由於電池容量造成的。這促使我們研究什麼是無人機電池以及它們如何影響飛行性能。開發更輕的框架和更高效的電池對於應對這項挑戰至關重要，但功率和重量之間的權衡繼續限制了該領域的創新。

無人機電池是什麼？

無人機電池通常是鋰離子或鋰聚合物，旨在提供延長飛行時間所需的電力。使用聚合物電解質的鋰聚合物電池重量輕，最初由於其重量優勢而廣泛應用於無線電遙控飛機。這些電池以其能量密度和輕量化設計而聞名，使其成為無人機應用的理想選擇。然而，平衡性能與二級保護保險絲等安全功能對於防止過度充電或燃燒等事故至關重要。

無人機電池能用多久？

無人機的電池壽命因型號而異。消費級無人機每次充電通常飛行 10-30 分鐘。飛行時間取決於以下因素： 「電池容量」 「無人機重量」 「天氣狀況」 「有效載荷」 高端工業無人機通常攜帶更多設備，需要強大的電池才能實現相當的飛行時間。雖然更大的電池會增加飛行時間，但增加的重量可以抵消通話時間的增加。 影響無人機電池壽命的關鍵因素： 「型號類型（消費類 vs. 工業類）」 「電池技術」 「環境因素」 「有效載荷重量」

更高的電池電壓如何延長無人機飛行時間

為了解決這個問題，優化電池電壓而不是簡單地增加容量可以顯著提高飛行時間。然而，僅僅增加電池容量並不能無限延長飛行時間，因為電池本身的重量也會隨之增加。因此，為了進一步延長飛行時間，有必要減輕機身重量並提高電池性能。新一代電池預計將於 2020 年代末至 2030 年代初推出，預計將實現超過 1,000 次充放電循環和約 400 Wh/kg 的能量密度。最近已經開發出一種鋰離子電池，它透過將 10 個以上的電池連接在一個電池組中來實現數十伏特的高電壓。在無人機中使用這種高功率電池時，實施安全措施以防止事故非常重要。

什麼是最耐用的無人駕駛飛機電池？

無人機最持久的電池是那些在最小化重量的同時最大限度地提高能量密度的電池。高壓鋰離子電池在單個電池組中使用十多個電池，越來越多地用於先進的無人機。這些下一代電池旨在在不犧牲性能或安全性的情況下延長飛行時間，使其成為需要延長運行時間的無人機的首選。

如何製造長電池壽命的無人機

為了增加無人駕駛飛機的電池壽命，工程師必須專注於優化電池和無人駕駛飛機的設計。減少無人駕駛機的整體重量、改善電池能量密度，以及整合先進的電源管理系統都是必要的步驟。此外，採用高效的冷卻系統管理飛行時產生的熱量，也能大幅提升電池的效能與壽命。

最後一英里送貨無人機

作為無人機不斷擴大的工業應用的一部分，最後一哩配送服務越來越受到關注。隨著電池技術和飛行效率的進步，無人機越來越多地被主要電子商務公司用於運輸貨物的最後階段。

這在貨物獲取困難的地區尤為重要，無人機送貨可以緩解司機短缺和交通擁堵等挑戰。
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改進的安全功能對於克服這些障礙和實現更廣泛的採用至關重要。為了確保無人機的安全使用，有必要解決墜機、隱私問題和遵守航空法規等問題。​
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商業交付中對無人機的需求不斷增長，凸顯了對有效安全措施的必要性，例如高壓二次保護保險絲。這些保險絲有助於防止事故並有助於提高下一代無人機的整體可靠性。
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無人駕駛電池的主要挑戰：安全性、效能與壽命

小型消費級無人機一般使用可充電鋰離子或鋰聚合物電池。即使在正常溫度範圍內運行，鋰離子電池也會發生放熱反應，導致溫度迅速升高，可能導致冒煙甚至火災。如果跌落或受到衝擊，電池可能會變形並引發內部短路，從而導致燃燒。對於多電池充電器（允許用戶更改設置的充電器），應該注意的是，電池不平衡或充電設置電壓不正確可能會引發過度充電。因此，市售鋰離子電池必須設計有保護電路和其他安全功能。
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更高的電池電壓可延長飛行時間

此外，未來無人機在空拍以外的更多領域廣泛應用，目前30至40分鐘左右的飛行時間過短是一個主要問題。這主要是由於電池容量有限。無人機電池需要保持必要的輸出特性，以確保從起飛到降落的穩定飛行。因此，未來的無人機電池需要在維持這些輸出特性的同時，提高能量密度。
然而，僅僅增加電池容量也會增加電池本身的重量，因此飛行時間無法超過一定限度。所以，為了進一步延長飛行時間，必須減輕飛行器的重量並改善電池本身的性能。
在此背景下，許多製造商正致力於提高鋰離子電池的充電電壓並降低其內阻。由於單位重量電池能量的增加直接轉化為無人機飛行時間的延長，因此市場對更高電池容量、更輕的重量、更高的能量密度和更高的最大輸出功率的需求日益增長。其他問題還包括如何在各種溫度環境下（包括低溫和高溫）安全使用電池，以及延長電池的使用壽命。
據稱，下一代電池目前的研發目標包括超過 1000 次的充放電循環能力和 400Wh/kg 的能量密度，目標是在 2020 年代末或 2030 年代實現。
電池性能的提升將大幅延長無人機飛行時間。例如，如果目前一架無人機使用250Wh/kg的電池，飛行時間為30分鐘，那麼在電池容量相同的情況下，400Wh/kg的電池可以延長飛行時間至48分鐘，500Wh/kg的電池可以延長至60分鐘，而1000Wh/kg的電池則可以延長至120分鐘。以配送無人機為例，據說如果無人機飛行時間超過60分鐘，就能涵蓋整個現有配送區域，而無需增加充電站的數量。 （假設酬載為2kg，在日本境內）
近年來，鋰離子電池不斷發展，透過將10個或更多電芯連接成一個電池組，可以實現數十伏特的高電壓，因此人們開始考慮將其應用於無人機。在無人機中使用此類高輸出電池時，採取安全措施以防止事故發生至關重要。
Dexerials 開發的自控保護器 (SCP) 是一種元件，可在鋰離子電池出現問題（例如過充）的極小機率事件中安全地切斷電路。​關於SCP。

高壓二次保護保險絲在下一代無人機中的重要性

Dexerials 的自我控制保護器（SCP）是一種次級保護保險絲，設計用於在鋰離子電池過充電或過電流時安全切斷電路。（更多關於SCP的資訊請參見本文。）SCP 透過在電池不穩定且主要保護功能失效時切斷電路來確保安全。SCP的角色是立即停止不穩定電池的運作，並安全將其與電路斷開。
保險絲是一種廣泛用於電氣裝置的保護元件。它透過在過電流中用焦耳熱熔化保險絲元件來切斷電路。然而，對於鋰離子電池而言，不僅要考慮過電流，還要考慮過充。自1994年推出以來，Dexerials的SCP已被認定為鋰離子電池次級保護保險絲的標準元件，截至2022年3月，已出貨超過25億件。
由於鋰離子電池中的電解質含有易燃有機溶劑，若過充電可能導致火災和/或爆炸危險。因此，鋰離子電池內建了次級保護，以確保此類事故不會發生。
在處理無人機時，為了防止飛行中過度放電而關閉電源可能導致無人機墜毀。因此，高強度鋰離子電池更適合無人機，儘管無人機更容易因外部衝擊而短路。為了達到所需的性能，電池必須在一定程度上彼此連接，同時防止短路並避免因過充電而產生的事故。如本文所述，安全措施可透過將充電迴路與放電迴路分離，並在充電迴路內安裝保險絲來達成。因此，無需擔心無人機在電源供應停止時墜毀。
隨著無人機越來越先進，電池電壓必定會上升。本文說明如何在高壓設備中使用 SCP 構建保護電路。隨著高電流與高壓鋰離子電池日益被無人機使用，Dexerials 以其專業知識協助確保鋰離子電池的安全。
​二次保護元件技術用於高壓鋰離子電池

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