Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterien) sind wiederaufladbare Energiespeichersysteme, die häufig zur Stromversorgung unbemannter Plattformen eingesetzt werden, die eine hohe Energiedichte, ein geringes Gewicht und eine zuverlässige Zyklusleistung erfordern. In unbemannten Luft-, Boden- und Seesystemen unterstützen Li-Ionen-Batterien den Antrieb, den Betrieb der Nutzlast und die Bordelektronik bei Verteidigungs-, Handels- und Forschungsmissionen.
In dieser Kategorie werden Anbieter von Lithium-Ionen-Drohnenbatterien und Li-Ionen-Zellen für unbemannte Systeme vorgestellt, die in verschiedenen chemischen Zusammensetzungen und Formfaktoren für den Einbau in UAVs, UGVs und USVs erhältlich sind, bei denen Ausdauer und Leistungsstabilität von entscheidender Bedeutung sind.
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Einführung in Lithium-Ionen-Batterien für Drohnen und unbemannte Systeme
Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterien) sind eine primäre Energiespeicherlösung für den gesamten Bereich der unbemannten Systeme. Für Ingenieure und Systemintegratoren ist die Auswahl eines Li-Ionen-Akkus ein entscheidender Faktor, der die Nutzlastkapazität, die Anforderungen an das Wärmemanagement und die allgemeine Zuverlässigkeit der Plattform bestimmt.
Zylindrische Li-Ionen-Batterien von American Lithium Energy.
Das Herzstück jeder wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterie ist ein auf Interkalation basierender Mechanismus. Während der Entladung wandern Lithium-Ionen durch einen Elektrolyten von der Anode zur Kathode, während Elektronen durch einen externen Stromkreis fließen, um das System mit Energie zu versorgen. Dieser Prozess wird während des Ladevorgangs umgekehrt.
Mehrere wichtige Kennzahlen bestimmen die Nützlichkeit von Lithium-Ionen-Zellen:
In unbemannten Plattformen kommen üblicherweise mehrere Chemien zum Einsatz, die jeweils unterschiedliche Stärken und Einschränkungen aufweisen:
SiCore 450 Wh/kg Li-Ionen-Batterie von Amprius Technologies.
Die Auswahl der geeigneten Chemie ist eine Entscheidung auf Systemebene, die von Einsatzprofil, Umwelteinflüssen, Sicherheitsanforderungen und Lebenszykluskosten abhängt.
Li-Ionen-Zellen werden in zylindrischer, prismatischer und Beutelform hergestellt. Zylindrische Zellen sind mechanisch robust und konsistent, prismatische Zellen vereinfachen die Verpackung bei begrenztem Volumen und Beutelzellen bieten maximale Designflexibilität und Energiedichte, erfordern jedoch eine sorgfältige mechanische Unterstützung und Schutz.
Zellen werden in Reihe geschaltet, um die Spannung zu erhöhen, und parallel geschaltet, um die Kapazität zu erhöhen. Die richtige Konfiguration ist unerlässlich, um die Systemspannungsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig Redundanz und Fehlertoleranz zu gewährleisten. Das Design von Parallelgruppen ist besonders wichtig, um Ungleichgewichte zu bewältigen und eine kontrollierte Degradation anstelle eines plötzlichen Ausfalls sicherzustellen.
Batteriepacks müssen mechanisch integriert sein, um den für unbemannte Plattformen typischen Vibrations-, Stoß- und Beschleunigungsbelastungen standzuhalten. Eine Umweltabdichtung schützt vor dem Eindringen von Staub, Feuchtigkeit und Salz, insbesondere bei maritimen Anwendungen. In vielen Konstruktionen trägt das Batteriegehäuse auch zur strukturellen Steifigkeit und Wärmeleitung bei.
48-V-Lithium-Ionen-Akku mit 7,0 kWh von Vanguard für gewerbliche Anwendungen.
Das Wärmemanagement wirkt sich direkt auf die Leistung und Sicherheit aus. Passive Wärmemanagementstrategien, die auf Wärmeleitungswegen und der Auswahl geeigneter Materialien basieren, werden aufgrund ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit bevorzugt. Für Hochleistungs- oder Schnellladesysteme kann eine aktive Kühlung erforderlich sein, die jedoch die Komplexität erhöht. In geschlossenen unbemannten Systemen ist eine auf Wärmeleitung basierende Kühlung der Fahrzeugstruktur oft der effektivste Ansatz.
Lithium-Ionen-Akkus für Drohnen müssen eine hohe Spitzenleistung für Start und Manövrieren liefern und gleichzeitig leicht sein. Bei Multirotor-Plattformen stehen Leistungsdichte und Entladungsfähigkeit im Vordergrund, während bei Starrflügel-UAVs die Energiedichte im Mittelpunkt steht, um die Ausdauer zu maximieren. Die Wahl der Batterie wirkt sich direkt auf die Nutzlastkapazität und die operative Flexibilität aus.
UGVs legen Wert auf Langlebigkeit und nachhaltige Leistungsabgabe. Traktionssysteme stellen hohe Anforderungen an den Strombedarf, während Sensoren, Computer und Kommunikationssysteme über längere Zeiträume eine stabile Energieversorgung benötigen. Li-Ionen-Batterien für UGVs ermöglichen einen geräuschlosen Betrieb, sodass Fahrzeuge ihre Systeme ohne laufende Motoren oder Generatoren mit Strom versorgen können.
Maritime Plattformen sind für Langzeitmissionen in geschlossenen Gehäusen auf Li-Ionen-Batterien angewiesen. USVs erfordern Korrosionsbeständigkeit und Zuverlässigkeit, während UUVs und ROVs eine hohe Energiedichte in druckfesten Gehäusen erfordern. Langfristige Stabilität und Temperaturregelung sind entscheidend, wenn der Zugang für Wartungsarbeiten eingeschränkt ist.
6T-Lithium-Ionen-Batterie für UGVs von Denchi.
Die Ladestrategie hat einen erheblichen Einfluss auf die Sicherheit, Lebensdauer und Betriebsbereitschaft. Schnellladen reduziert die Durchlaufzeit, erhöht jedoch die thermische und elektrochemische Belastung. Das Laden vor Ort bringt Einschränkungen hinsichtlich der Stromverfügbarkeit, der Umwelteinflüsse und der Robustheit der Anschlüsse mit sich.
Bei professionellen Drohnen und unbemannten Systemen werden die Ladeprofile sorgfältig gesteuert, um ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Langlebigkeit zu erreichen. Wiederaufladbare Li-Ionen-Akkus müssen mit einer geeigneten Ladesteuerungselektronik kombiniert werden, um Überspannung, Überhitzung und vorzeitigen Verschleiß zu verhindern.
Inkrementelle Verbesserungen bei den Elektrodenmaterialien führen zu einer weiteren Steigerung der Energiedichte und Lebensdauer, während sich gleichzeitig auch disruptivere Entwicklungen abzeichnen. Festkörper-Lithium-Batterien versprechen eine verbesserte Sicherheit und eine höhere Energiedichte, indem sie flüssige Elektrolyte durch feste Alternativen ersetzen, allerdings ist eine breite Einführung noch in weiter Ferne.
Fortschritte bei Anoden- und Kathodenmaterialien sowie Verbesserungen in der Fertigung werden weiterhin unbemannten Systemen zugutekommen, da sie eine längere Lebensdauer, schnelleres Laden und verbesserte Sicherheitsmargen ermöglichen. Für Ingenieure, die zukünftige Plattformen spezifizieren, bleibt die Lithium-Ionen-Technologie eine sich schnell entwickelnde Grundlage für die Fähigkeiten unbemannter Systeme der nächsten Generation.
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