Les batteries lithium-ion (Li-ion) sont des systèmes de stockage d'énergie rechargeables largement utilisés pour alimenter des plateformes sans pilote nécessitant une densité énergétique élevée, un faible poids et des performances de cycle fiables. Dans les systèmes aériens, terrestres et maritimes sans pilote, les batteries Li-ion prennent en charge la propulsion, le fonctionnement de la charge utile et l'électronique embarquée dans le cadre de missions de défense, commerciales et de recherche.
Cette catégorie présente les fournisseurs de batteries lithium-ion pour drones et les cellules Li-ion pour systèmes sans pilote, disponibles dans plusieurs compositions chimiques et formats pour une intégration dans les UAV, UGV et USV où l'endurance et la stabilité de la puissance sont essentielles.
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Les batteries lithium-ion (Li-ion) constituent la principale solution de stockage d’énergie dans le domaine des systèmes sans pilote. Pour les ingénieurs et les intégrateurs de systèmes, le choix d’une batterie Li-ion est un facteur déterminant qui influe sur la capacité de charge utile, les exigences en matière de gestion thermique et la fiabilité globale de la plateforme.
Au cœur de chaque batterie lithium-ion rechargeable se trouve un mécanisme basé sur l’intercalation. Pendant la décharge, les ions lithium migrent de l’anode vers la cathode à travers un électrolyte, tandis que les électrons circulent dans un circuit externe pour alimenter le système. Ce processus s’inverse pendant la charge.
Plusieurs paramètres clés définissent l’utilité des cellules Li-ion :
Plusieurs compositions chimiques sont couramment utilisées dans les plateformes sans pilote, chacune présentant des avantages et des limites distincts :
Batterie Li-Ion SiCore 450 Wh/kg d’Amprius Technologies.
Le choix de la composition chimique appropriée est une décision qui se prend au niveau du système et qui dépend du profil de la mission, de l’exposition environnementale, des exigences de sécurité et du coût du cycle de vie.
Les cellules Li-ion sont produites sous forme cylindrique, prismatique et souple. Les cellules cylindriques sont mécaniquement robustes et homogènes, les cellules prismatiques simplifient l’emballage dans des volumes restreints et les cellules souples offrent une flexibilité de conception et une densité énergétique maximales, mais nécessitent un support mécanique et une protection minutieux.
Les cellules sont disposées en série pour augmenter la tension et en parallèle pour augmenter la capacité. Une configuration appropriée est essentielle pour répondre aux exigences de tension du système tout en maintenant la redondance et la tolérance aux pannes. La conception de groupes parallèles est particulièrement importante pour gérer les déséquilibres et garantir une dégradation contrôlée plutôt qu’une défaillance soudaine.
Les blocs-batteries doivent être intégrés mécaniquement pour résister aux vibrations, aux chocs et aux charges d’accélération typiques des plateformes sans pilote. L’étanchéité environnementale protège contre la poussière, l’humidité et la pénétration de sel, en particulier dans les applications maritimes. Dans de nombreuses conceptions, le boîtier de la batterie contribue également à la rigidité structurelle et à la conduction thermique.
Batterie lithium-ion commerciale 48 V 7,0 kWh de Vanguard.
La gestion thermique a une incidence directe sur les performances et la sécurité. Les stratégies thermiques passives, qui utilisent des chemins de conduction et une sélection de matériaux, sont privilégiées pour leur simplicité et leur fiabilité. Un refroidissement actif peut être nécessaire pour les systèmes à haute puissance ou à charge rapide, mais il augmente la complexité. Dans les systèmes sans pilote scellés, le refroidissement par conduction vers la structure du véhicule est souvent l’approche la plus efficace.
Applications des batteries lithium-ion dans les systèmes sans pilote
Batteries Li-Ion pour drones
Les batteries lithium-ion pour drones doivent fournir une puissance de pointe élevée pour le décollage et les manœuvres tout en restant légères. Les plateformes multirotors privilégient la densité de puissance et la capacité de décharge, tandis que les drones à voilure fixe se concentrent sur la densité énergétique afin de maximiser l’endurance. Le choix de la batterie a une incidence directe sur la capacité de charge utile et la flexibilité opérationnelle.
Les véhicules terrestres sans pilote (UGV) privilégient la durabilité et la fourniture d’une puissance soutenue. Les systèmes de traction imposent des exigences élevées en matière de courant, tandis que les capteurs, les calculateurs et les communications nécessitent une énergie stable sur de longues périodes. Les batteries Li-ion pour UGV permettent des modes de fonctionnement silencieux, permettant aux véhicules d’alimenter leurs systèmes sans faire tourner de moteurs ou de générateurs.
Les plateformes maritimes s’appuient sur des batteries Li-ion pour les missions de longue durée dans des enceintes étanches. Les USV exigent une résistance à la corrosion et une grande fiabilité, tandis que les UUV et les ROV exigent une densité énergétique élevée dans des boîtiers résistants à la pression. La stabilité à long terme et le contrôle thermique sont essentiels lorsque l’accès pour la maintenance est limité.
Batterie lithium-ion 6T pour UGV de Denchi.
La stratégie de charge a un impact significatif sur la sécurité, la durée de vie et la disponibilité opérationnelle. La charge rapide réduit le temps de rotation, mais augmente le stress thermique et électrochimique. La charge sur le terrain introduit des contraintes liées à la disponibilité de l’alimentation, à l’exposition environnementale et à la robustesse des connecteurs.
Pour les drones professionnels et les systèmes sans pilote, les profils de charge sont soigneusement gérés afin d’équilibrer vitesse et longévité. Les batteries Li-ion rechargeables doivent être associées à des composants électroniques de contrôle de charge appropriés afin d’éviter les surtensions, les surchauffes et les dégradations prématurées.
Les améliorations progressives des matériaux d’électrodes continuent d’augmenter la densité énergétique et la durée de vie, tandis que des développements plus disruptifs font également leur apparition. Les batteries lithium à l’état solide promettent une sécurité améliorée et une densité énergétique plus élevée en remplaçant les électrolytes liquides par des alternatives solides, même si leur déploiement à grande échelle reste encore lointain.
Les progrès réalisés dans le domaine des matériaux d’anode et de cathode, ainsi que les améliorations apportées à la fabrication, continueront de profiter aux systèmes sans pilote en leur permettant une plus grande endurance, une recharge plus rapide et des marges de sécurité améliorées. Pour les ingénieurs qui spécifient les futures plateformes, la technologie Li-ion reste une base en rapide évolution pour les capacités des systèmes sans pilote de nouvelle génération.
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Batteries Li-Ion cylindriques d’American Lithium Energy.