Baterie półprzewodnikowe (SSB) to zaawansowane elektrochemiczne systemy magazynowania energii, w których płynne elektrolity zastąpiono materiałami stałymi w celu poprawy bezpieczeństwa, gęstości energii i trwałości platform bezzałogowych. W zastosowaniach UAV baterie SSB eliminują kluczowe ograniczenia związane z ryzykiem pożaru, ograniczoną wytrzymałością i degradacją podczas pracy z wysoką prędkością C.
W niniejszym przewodniku przedstawiono dostawców baterii półprzewodnikowych do dronów obsługujących platformy wielowirnikowe, stałopłatowe i VTOL wykorzystywane w misjach ISR, mapowaniu, logistyce i misjach długotrwałych, umożliwiających większą ładowność i bardziej przewidywalną wydajność w szerokim zakresie temperatur.
Przeczytaj Przegląd technologii
Zaawansowane bezzałogowe statki powietrzne VTOL i stałopłatowe | Najnowocześniejsze technologie dla bezzałogowych i autonomicznych statków powietrznych
Zaawansowane zestawy akumulatorów i inteligentne rozwiązania BMS dla dronów i robotyki
Jeśli projektujesz, budujesz lub dostarczasz Baterie półprzewodnikowe, Załóż profil, aby zaprezentować swoje możliwości i nawiązać kontakt z osobami, które aktywnie poszukują Twoich rozwiązań.
Baterie półprzewodnikowe (SSB) stanowią fundamentalną zmianę w elektrochemicznym magazynowaniu energii, zastępując łatwopalne elektrolity ciekłe lub żelowe stosowane w konwencjonalnych bateriach litowo-jonowych (Li-ion) i litowo-polimerowych (LiPo) ogniwach. W przypadku dronów i systemów bezzałogowych zmiana ta bezpośrednio rozwiązuje najbardziej uporczywe ograniczenia związane z obecną gęstością mocy: zagrożenia dla bezpieczeństwa, plateau gęstości energii i degradację w wymagających profilach operacyjnych o wysokim współczynniku C.
W bateriach półprzewodnikowych jony litowe migrują przez elektrolit stały (zazwyczaj ceramiczny, polimerowy, na bazie siarczku lub hybrydowy), a nie przez medium ciekłe. Taka architektura umożliwia integrację materiałów anodowych o wyższej energii, takich jak lit metaliczny, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu ryzyka niekontrolowanego wzrostu temperatury. W przypadku bezzałogowych statków powietrznych (UAV) działających w środowiskach charakteryzujących się silnymi wibracjami, szybkimi cyklami rozładowania i zmianami temperatury spowodowanymi wysokością, cechy te zapewniają kluczową przewagę wydajnościową.
W miarę jak platformy dronów dążą do zwiększenia wytrzymałości, ładowności i autonomii, półprzewodnikowe magazyny energii ewoluują od stopniowego ulepszenia do podstawowej technologii umożliwiającej powstanie bezzałogowych systemów nowej generacji.
Akumulator litowo-jonowy półprzewodnikowy 120 Ah do dronów firmy Austars Model.
Magazynowanie energii jest prawdopodobnie najważniejszym ograniczeniem projektowym w inżynierii bezzałogowych statków powietrznych. Każdy dodatkowy gram przypisany do pakietu akumulatorów zmniejsza ładowność, margines wytrzymałości lub nadmiarowość systemu. Jednocześnie pakiety te muszą zapewniać wysoką moc szczytową podczas startu, wznoszenia i agresywnych manewrów, pozostając jednocześnie przewidywalnymi w warunkach bojowych lub przemysłowych.
Baterie półprzewodnikowe bezpośrednio wspierają te czynniki inżynieryjne:
Korzyści te są zgodne z tendencją do wykonywania misji poza zasięgiem wzroku (BVLOS) i ciągłego nadzoru, gdzie systemy energetyczne muszą działać niezawodnie przy minimalnej interwencji człowieka.
Elektrolit stały jest elementem definiującym baterię SSB, a wybór materiału decyduje o zakresie wydajności baterii.
Przejście na elektrolit stały umożliwia stosowanie anod litowo-metalowych, które zapewniają znacznie wyższą pojemność teoretyczną niż grafit stosowany w standardowych ogniwach. W przypadku bezzałogowych statków powietrznych przekłada się to na radykalny wzrost gęstości energii grawimetrycznej.
Głównym wyzwaniem inżynieryjnym pozostaje interfejs elektroda–elektrolit. Utrzymanie niskiej rezystancji i zapobieganie wzrostowi dendrytów (mikroskopijnych włókien litowych, które mogą powodować zwarcia) ma zasadnicze znaczenie dla niezawodnego działania, szczególnie podczas faz rozładowania o wysokim współczynniku C wymaganych przez platformy wielowirnikowe.
Najważniejszym czynnikiem decydującym o zastosowaniu akumulatorów półprzewodnikowych jest czas lotu. Najnowsze wdrożenia pilotażowe pokazują, że technologia SSB może znacznie zwiększyć zasięg dronów transportowych przy danym ładunku. W przypadku misji ISR i mapowania umożliwia to wielogodzinne loty, które wcześniej były możliwe tylko przy użyciu ogniw paliwowych lub silników spalinowych.
Platformy VTOL (Vertical Take-Off and Landing) wymagają ogromnej mocy impulsowej. Technologia półprzewodnikowa może być zaprojektowana tak, aby wytrzymać wysokie szybkości rozładowania bez gwałtownych skoków temperatury obserwowanych w ogniwach LiPo, zmniejszając spadki napięcia i poprawiając kontrolę podczas krytycznego przejścia z lotu w zawisie do lotu do przodu.
Akumulator litowo-jonowy półprzewodnikowy Ares firmy T-DRONES.
Wrażliwość na temperaturę jest głównym czynnikiem powodującym awarie akumulatorów litowych. Konstrukcje półprzewodnikowe oferują szerszy zakres temperatur roboczych, zachowując integralność strukturalną i przewidywalne krzywe rozładowania w warunkach arktycznych lub na dużych wysokościach (do -40°C) bez konieczności stosowania ciężkich aktywnych systemów ogrzewania.
Ogniwa półprzewodnikowe są z natury bardziej odporne na degradację chemiczną i wytwarzanie gazów, które są problemem w przypadku elektrolitów ciekłych. W przypadku systemów autonomicznych lub zdalnie sterowanych zmniejsza to obciążenie związane z konserwacją i zwiększa dostępność misji w całym cyklu życia floty.
W przypadku bezzałogowych statków powietrznych (UAS) grupy 1 i 2 baterie półprzewodnikowe do dronów umożliwiają zmianę równania SWaP (rozmiar, waga i moc). Dzięki zwiększeniu gęstości energii operatorzy mogą wydłużyć czas „przebywania na stanowisku” w celu prowadzenia nadzoru lub zmniejszyć powierzchnię baterii, aby przenosić zaawansowane ładunki do wywiadu sygnałowego (SIGINT) lub wojny elektronicznej (EW). Ponadto architektura półprzewodnikowa znacznie zmniejsza sygnaturę akustyczną i termiczną systemu zasilania, co ma kluczowe znaczenie dla operacji tajnych.
W sektorach takich jak inspekcja infrastruktury, energia morska i rolnictwo precyzyjne, podstawową wartością baterii półprzewodnikowej jest niezawodność i zgodność z przepisami. Technologia półprzewodnikowa zmniejsza ryzyko pożaru podczas ładowania i transportu pod wysokim napięciem, co ma kluczowe znaczenie dla misji BVLOS nad obszarami zaludnionymi. W przypadku operatorów flot wyższy koszt początkowy zestawu akumulatorów półprzewodnikowych jest równoważony przez niższy całkowity koszt posiadania (TCO), wynikający z cyklu życia znacznie przewyższającego tradycyjne ogniwa z elektrolitem ciekłym.
Platformy HAPS są szczególnie wrażliwe na ekstremalne zimno panujące w stratosferze. Standardowe ogniwa litowe charakteryzują się znacznym wzrostem oporu wewnętrznego w tych temperaturach. Akumulatory z elektrolitem ceramicznym i specjalne konstrukcje hybrydowe znacznie skuteczniej utrzymują ruchliwość jonów w takich środowiskach. Dzięki temu platformy HAPS mogą utrzymywać ciągły lot przez tygodnie lub miesiące, przy mniejszym uzależnieniu od masywnych, ciężkich systemów zarządzania temperaturą wymaganych w przypadku starszych rodzajów akumulatorów.
Dzięki usunięciu łatwopalnego medium ciekłego ryzyko „termicznej niekontrolowanej reakcji” zostało niemal całkowicie wyeliminowane. Jest to kluczowy kamień milowy w zakresie bezpieczeństwa dronów działających w środowiskach „kategorii ryzyka”, takich jak centra miejskie lub obiekty przemysłowe.
Akumulatory półprzewodnikowe są bardziej stabilne konstrukcyjnie i odporne na wibracje i odkształcenia. W przypadku twardego lądowania lub kolizji brak cieczy zapobiega wyciekom i wynikającemu z nich zagrożeniu pożarowym, które utrudnia akcję ratowniczą i odzyskanie płatowca.
Z punktu widzenia certyfikacji bezpieczniejsze składniki chemiczne akumulatorów ułatwiają uzyskanie zgody organów regulacyjnych na złożone operacje. Dla użytkowników z sektora obronnego akumulatory półprzewodnikowe poprawiają „gotowość do przechowywania” — zdolność do utrzymywania systemów w stanie wysokiego naładowania przez długi czas bez ryzyka pęcznienia lub pożaru związanego z tradycyjnym przechowywaniem akumulatorów LiPo.
Chociaż akumulatory całkowicie półprzewodnikowe przechodzą obecnie z etapu przełomowych odkryć laboratoryjnych do pilotażowych produkcji fabrycznych, kierunek rozwoju jest jasny. Branża postrzega obecnie integrację akumulatorów półprzewodnikowych jako technologię pomostową, oferującą gęstość energii na poziomie 300–350 Wh/kg. Wraz ze stabilizacją skali produkcji i kosztów, całkowicie półprzewodnikowe magazyny energii staną się podstawowym źródłem zasilania dla nowej generacji bezzałogowych systemów o wysokiej wytrzymałości i niezawodności, w tym systemów podwodnych i naziemnych, takich jak zdalnie sterowane pojazdy (ROV), autonomiczne pojazdy podwodne (AUV) oraz bezzałogowe pojazdy naziemne (UGV).
Wyszukiwanie firm i produktów
Subskrybuj cotygodniowy eBrief
Najnowsze osiągnięcia inżynieryjne i techniczne prosto do Twojej skrzynki odbiorczej - dołącz do tysięcy inżynierów, którzy je otrzymują.