ТЕРМОСТОЙКОСТЬ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ДЛЯ БПЛА: ВЛИЯНИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕРМОИЗОЛЯЦИИ

Введение

Актуальность:

Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторные батареи, используемые в беспилотных летательных аппаратах, критически зависят от температурных условий. Их работа при экстремальных температурах (ниже -20°C и выше +50°C) приводит к потере ёмкости, сокращению срока службы и рискам возгорания. Исследование таких эффектов в доступных условиях актуально для повышения эффективности эксплуатации БПЛА, поскольку выявление закономерностей влияния температуры на работу аккумуляторных батарей позволяет предотвращать их отказы оборудования и повысить эффективность их работы, снизить вероятность выхода их из строя и расширить температурный диапазон использования.

Цель:

Исследовать влияние высоких и низких температур на Li-ion аккумуляторы, применяемые в БПЛА, изучить возможность использования термозащитных боксов для батарей из подручных материалов.

Задачи:

1. Теоретический анализ особенностей литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов и разработка доступной методики эксперимента.
2. Проведение экспериментов в контролируемых условиях.
3. Анализ эффективности термоизоляции.
4. Оценка результатов и разработка рекомендаций.

Теоретическая часть

Литий-ионные аккумуляторы:
Литий-ионные батареи стали стандартом для питания БПЛА благодаря сочетанию ключевых характеристик. Их высокая энергоемкость позволяет обеспечивать длительное время полета и поддержку дополнительного оборудования, такого как камеры или датчики, без значительного увеличения массы. В сравнении с альтернативами, например, никель-металлогидридными или свинцово-кислотными аккумуляторами, Li-Ion батареи легче и эффективнее, что важно для авиационных систем. Стабильность напряжения в течение цикла разряда обеспечивает бесперебойную работу электроники БПЛА, а длительный срок службы (500–1000 циклов заряда-разряда при соблюдении условий) снижает эксплуатационные затраты.

Однако эффективность Li-Ion аккумуляторов напрямую зависит от температурных условий, что создает проблему для их использования в экстремальных средах. При охлаждении (-20°C и ниже)
электролит загустевает, замедляя движение ионов лития между электродами. Это приводит к росту внутреннего сопротивления (может увеличиться на 50–70% при -20°C); снижению доступной ёмкости (до 30–50% от номинальной); Риску внезапного отключения под нагрузкой из-за падения напряжения ниже критического порога. Например, при -20°C батарея, рассчитанная на 30 минут полета, может обеспечить только 10–15 минут работы. Для смягчения проблем применяют предварительный подогрев батареи перед запуском, термоизоляционные чехлы или встроенные нагревательные элементы. Высокие температуры (+50°C и выше) и перегрев ускоряет химические реакции деградации такие как разрушение катода; образование SEI-слоя на аноде: в норме он защищает электрод, но при перегреве его рост становится неконтролируемым, поглощая активный литий; выделение газов из-за разложения электролита, ведущее к вздутию или возгоранию. Даже кратковременный нагрев до +60°C может сократить срок службы батареи на 20–30%. При постоянной эксплуатации в таких условиях ёмкость снижается на 5–15% в месяц. Для защиты используют пассивное охлаждение (алюминиевые радиаторы) или активные системы (вентиляторы или жидкостное охлаждение).

Рекомендации по эксплуатации:

1. Диапазон рабочих температур: Оптимально +15°C до +25°C. Зарядка допустима при 0°C до +45°C.
2. Хранение: При 40–60% заряда и температуре +10°C до +25°C.

Производители БПЛА, такие как DJI или Parrot, интегрируют датчики температуры и алгоритмы, автоматически ограничивающие мощность при перегреве или холоде. Эти меры позволяют расширить применение Li-Ion батарей, хотя компромиссы в производительности остаются.

Термостойкость:

Термостойкость — это ключевое свойство аккумуляторов, позволяющее им сохранять работоспособность, ёмкость, напряжение и безопасность при экстремальных температурах. Она критически важна для устройств, эксплуатируемых в условиях сильного холода или жары, а также в устройствах, подверженных резким перепадам температур, таких как электромобили, авиационная или космическая техника. Без должной термостойкости аккумуляторы теряют эффективность: на морозе их ёмкость резко падает, а при перегреве возрастает риск возгорания из-за термического разгона.

В целях недопущений пагубных последствий для минимизации влияния температур используется такое решение как термоизоляция:

Принцип действия основан на замедлении теплообмена между внешней средой и внутренними элементами аккумулятора.

Применяемые материалы для термоизоляции: аэрогели - наноразмерные структуры с крайне низкой теплопроводностью, например, на основе диоксида кремния; многослойные композиты (чередование теплоотражающих и поглощающих слоёв); керамические покрытия (например, оксид алюминия, наносимый методом плазменного напыления). Также, помимо вышеназванных средств термоизоляции, в данной работе экспериментально проверяется целесообразность и эффективность применения подручных материалов таких как, пенопласт, фольга и термоскотч.

Термоизоляция имеет следующие преимущества: пассивная защита без энергозатрат, снижение риска конденсата при перепадах температур.

Экспериментальная часть

Оборудование:

Li-Ion аккумуляторы 18650 емкостью 2600 мАч.

Бытовой холодильник и его морозильная камера для создания низких температур (-18°C).

Обогреватель для создания высоких температур (+50°C).

USB-тестер для измерения ёмкости, напряжения и тока.

Термометр для контроля температуры.

Материалы для термоизоляции: фольга, пенопласт, термостойкий скотч.

Зарядное устройство для аккумуляторов 18650 c индикацией заряда и напряжения.

Этапы эксперимента:

Подготовка:

Разрядка до 0%, затем зарядка аккумуляторов до 100%. и измерение начальных параметров: напряжение, ток зарядки, ёмкость, температура.

Эксперимент при низких температурах:

Помещение 1-ого из аккумуляторов в морозильную камеру на 2 часа, затем измерение параметров после извлечения. После разрядка до 0% и зарядка через USB-тестер с определением фактической ёмкости.

Эксперимент при высоких температурах:

Нагрев 1-ого из аккумуляторов с помощью обогревателя до +50°C, затем измерение параметров после извлечения. После разрядка до 0% и зарядка через USB-тестер с определением фактической ёмкости.

Эксперименты с использованием термоизоляция:

Создание термобоксов из фольги, термоскотча и пенопласта. Повторение экспериментов с изолированными аккумуляторами.

Результаты экспериментов:

1. Нагрев: Без термобокса ёмкость снизилась на 2.1% (2858 → 2799 мАч). С пенопластом ёмкость снизилась на 2.1% (2858 → 2797 мАч). Со скотчем снижение ёмкости на 2.5% (2858 → 2787 мАч). С фольгой ёмкость увеличилась на 0.7% (2858 → 2819 мАч).
2. Охлаждение: Без термобокса ёмкость упала на 12.5% (2858 → 2499 мАч). С пенопластом снижение ёмкости на 2.1% (2858 → 2797 мАч). Со скотчем снижение ёмкости на 1.0% (2858 → 2829 мАч). С фольгой ёмкость практически сохранилась (2858 → 2869 мАч, +0.4%).

Выводы:

1. Фольга показала наилучшие результаты: При нагреве ёмкость практически не изменилась. При охлаждении ёмкость сохранилась так же почти полностью.
2. Пенопласт и скотч менее эффективны: При нагреве оба материала привели к снижению ёмкости (~2%). При охлаждении пенопласт снизил ёмкость на 2.1%, а скотч — на 1%.
3. Без термоизоляции аккумулятор теряет до 12.5% ёмкости при охлаждении.

Рекомендации по применению термобоксов:

1. Для защиты от перегрева лучше использовать термобоксы с фольгой, так как они эффективнее других представленных материалов в отношения ёмкости.
2. Для защиты от низких температур лучше использовать термобоксы с фольгой — они практически полностью сохраняют ёмкость. Скотч также подходит для умеренных условий (потеря 1%).