К ВОПРОСУ ВЫБОРА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ БЛА ПРИ УСЛОВИИ ГРУППОВОЙ РАБОТЫ

АННОТАЦИЯ

В настоящее время сельскохозяйственные предприятия все чаще начинают использовать современные беспилотные авиационные комплексы для различных целей, в том числе для обработки сельскохозяйственных земель разнообразными веществами с воздуха. Это приводит к спросу на аппараты, предназначенные для внесения химикатов с воздуха. В данной работе рассматриваются вопросы подбора аккумуляторных батарей для беспилотных летательных аппаратов, предназначенных для обработки сельскохозяйственных площадей в составе группы аппаратов.

ABSTRACT

Currently, agricultural enterprises are increasingly beginning to use modern unmanned aerial systems for various purposes, including for processing agricultural land with various substances from the air. This leads to a demand for devices designed to introduce chemicals from the air. This paper discusses the selection of batteries for unmanned aerial vehicles intended for processing agricultural areas as part of a group of vehicles.

Ключевые слова: агропромышленный комплекс, БЛА, аккумулятор, мультикоптер, групповая работа, обработка площади.

Keywords: agro-industrial complex, UAV, battery, multicopter, group work.

Введение

Из-за бурного развития беспилотных летательных аппаратов было предсказуемо ожидать, что они войдут во многие сферы жизни людей. Таким образом, на повестке дня стоит вопрос о создании новых, более специализированных аппаратов. Объектом исследования является беспилотный летательный аппарат (БЛА), предназначенный для обработки сельскохозяйственных площадей. Беспилотный летательный аппарат состоит из множества частей, среди которых имеется аккумуляторная батарея.

Целью работы является оценка рационального выбора аккумуляторных батарей (АКБ) беспилотного летательного аппарата при выполнении работ по обработке площадей в составе группы аппаратов.

Данная работа может помочь инженерам при выборе аккумуляторов для подобного типа аппаратов.

Актуальность темы продиктована тем, что применение беспилотных воздушных судов (БВС) в сельском хозяйстве является инновацией для России и имеет большой потенциал, особенно при решении задач точного земледелия.

Сегодня фермеры открыты для использования технологий увеличения урожайности и повышения качества своей продукции. Авиационные химические работы (АХР) давно применяются для данных целей, в то же время эксплуатация пилотируемых воздушных судов (ВС) остается экономически невыгодным для полей небольшого размера.

Работа с опасными химическими веществами, такими как пестициды, гербициды и фунгициды, создает много рисков для здоровья людей и домашнего скота. Создаваемая беспилотная авиационная система (БАС) является эффективным решением для хозяйств с угодьями малых и средних размеров: высокоточное уничтожение вредителей и болезней с/х культур снижает воздействие химикатов на окружающую среду.

Преимущества применения БАС в сельском хозяйстве при выполнении АХР следующие:

• Относительно высокая производительность;
• Возможность производить работу в труднодоступных для типовой сельхозтехники местах со сложным ландшафтом;
• Дешевизна и экономия ресурсов в перспективе многолетней эксплуатации;
• Снижение рисков для здоровья персонала агрокомплексов.

Сложности и ограничения применения БАС в сельском хозяйстве при выполнении АХР следующие:

• Требования к погодным условиям при эксплуатации БВС;
• Трудности, связанные с применением беспилотных летательных аппаратов в рамках действующего законодательства (отсутствие необходимых нормативно-правовых и нормативно-технических актов, регламентов и т.п.);
• Требования высокой квалификации специалистов, эксплуатирующих БАС.

В процессе работы рассматривалась информация, представленная в статье за авторством С.С. Грызункина и И.С. Прокопчука, где описываются материалы и конструкция Li-ion аккумуляторов [1]. Помимо этого, была рассмотрена статья за авторством А.М. Скундина, Ю.Г. Чиркова, В.И. Ростокина «Литий-ионные аккумуляторы: компьютерное моделирование и проблемы зависимости емкости от токов заряда и разряда» [5]. Данные статьи описывают основные проблемы создания АКБ для БЛА. Однако они не в полной мере подходят для решения задач, рассматриваемых в данной работе.

Для написания работы рассматривались аккумуляторы, которые на данный момент представлены на рынке, с их характеристиками. Перспективные модели, которых нет в свободной продаже, не учитывались. На рынке представлены следующие типы аккумуляторных батарей: свинцово-кислотные, щелочные, литий-ионные.

Постановка задачи

Рассмотрим создание беспилотной авиационной системы, состоящей из трех мультикоптеров со станцией управления и зарядки. Беспилотная авиационная система предназначена для обработки замкнутых площадей.

Самый важный критерий аккумулятора — это его масса. Следующими по важности критериями являются скорость заряда и количество циклов заряда/разряда. Оба критерия определяют экономическую выгоду комплекса. Потребную емкость аккумулятора и электрическое напряжение определяются из требуемого времени полета и параметров электрического оборудования на борту аппарата.

Для наибольшей экономической эффективности предполагается производить обработку заданных площадей группой аппаратов.[2] При этом работа аппаратов происходит не параллельно, а параллельно-последовательно для обеспечения обслуживания аппаратов одним оператором (Рисунок 1). При разряде батареи БВС производит возврат к месту дислокации.

Оператором производится замена АКБ и запуск аппарата для дальнейшей обработки. В процессе обработки производится зарядка батареи для последующей замены. Это определяет потребное время заряда аккумуляторной батареи.

Рисунок 1. Последовательность обработки площади группой аппаратов

Известно потребное время полета одного аппарата из условия обеспечения параллельного обслуживания с учетом количества аппаратов в группе. Расчет времени полета БЛА в зависимости от емкости АКБ и массы полезного груза определяет потребную емкость АКБ (Рисунок 2).

Рисунок 2. Зависимость времени полета от емкости АКБ

Для рассматриваемого БВС известен состав бортового оборудования, а так же параметры питания, указанные в таблице 1.

Таблица 1.

Потребители электроэнергии

На основе этих параметров определяется необходимое потребление тока в номинальном и пиковом режимах, а также напряжение питания.

Потребная сила тока определяет такой параметр, как скорость разряда (С-рейтинг) аккумуляторной батареи.

Рассмотрим понятие скорости разряда (C-рейтинг):

Аккумуляторы, рассчитанные для питания БВС, имеют в своей спецификации такой важный параметр как
C-рейтинг / Токоотдача / Скорость разряда. Если известен C-рейтинг и емкость батареи, то не составит труда вычислить постоянную силу тока, которая не причинит вреда аккумулятору:

;

Где: I_max – сила тока (максимальная), А;

С_рр – С-рейтинг разряда;

E – емкость АКБ, mAh.

Пример: АКБ с характеристиками: 5000 mAh 30С имеет расчетную максимальную силу тока непрерывного разряда – 150А [3].

Непрерывный и пиковый.

Помимо этого, в характеристиках АКБ указывают сразу два значения
C-рейтинг: «Непрерывный» и «Пиковый». Численное значение пикового рейтинга указывает на максимальную силу тока, который АКБ может отдать за кратковременный период (не более 10 секунд).

При маленьком C-рейтинге БЛА на раскроет свой летный потенциал, поэтому воздушное судно будет не таким динамичным. В случае если сила тока будет выше номинального значения, то по итогу есть шанс нанести повреждения АКБ.

Если C-рейтинг выше необходимого для БЛА, то не выйдет получить особого улучшения в производительности. Будет даже обратный эффект, батарея станет массивнее, из-за чего понижается время полета.

Например, для АКБ с емкостью 36000 mAh в максимальном режиме скорость разряда должна быть 18,6. Таким образом, C-рейтинг разряда должен быть 19 в пике и около 6 в номинальном режиме.

На рисунке 3 представлен график потребного рейтинга разряда в зависимости от емкости батареи для заданной силы тока.

Рисунок 3. График потребного рейтинга разряда в зависимости от емкости батареи для заданной силы тока

Проведем расчет времени заряда АКБ.

Исходными данными для определения времени заряда является потребная емкость батареи (С_АКБ) и ток зарядного устройства (I_ЗУ). Расчет производится по следующей формуле[8]:

где  1,4 – коэффициент, учитывающий нагрев АКБ.

Зная потребное время заряда аккумуляторной батареи, проведем расчет потребного тока заряда для подбора зарядного устройства и рейтинга заряда АКБ:

Рассмотрим понятие рейтинг заряда

С-рейтинг заряда / скорость заряда – немаловажный параметр, который отображается на батарее. Большое количество аккумуляторных батарей спроектированы на скорость заряда 1C. Это число указывает максимальную силу тока, с которой можно безопасно заряжать АКБ. Вычислить максимальную силу тока для конкретной аккумуляторной батареи можно по формуле [3]: 

где: I_max – сила тока (максимальная), А;

С_рз – С-рейтинг разряда;

E – емкость АКБ, mAh.

Значение зарядного тока является одной из нескольких предустанавливаемых настроек зарядного устройства перед зарядкой АКБ.

Например: если АКБ емкостью 5000 mAh с рейтингом заряда 1C, то максимальная сила зарядного тока для нее – 5А.

Важно знать, что при превышении силы тока при заряде АКБ может произойти возгорание батареи.

Также чем ниже сила тока заряда, тем батарея будет дольше заряжаться. Одним из плюсов такой зарядки является увеличение срока службы АКБ.

Характеристики АКБ зависят от схемы соединения.

Литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторные батареи состоят из отдельных элементов. Каждый такой элемент имеет номинальное напряжение 3,7 В. Если требуется более высокое напряжение, то ячейки соединяются последовательно и формируют одну большую батарею. Для создания батареи высокой емкости элементы соединяются параллельно.

Чаще всего производители литий-полимерных АКБ для БЛА указывают не напряжение аккумулятора, а количество ячеек аккумулятора. Ячейки могут обозначаться буквой «S».

К примеру, аккумулятор на 22,2 В называют «6S» аккумулятором.

1S = 3.7В

2S = 7.4В

3S = 11.1В

4S = 14.8В

5S = 18.5В

6S = 22.2В [3].

Для увеличения емкости ячейки соединяются последовательно, и производитель в наименование АКБ прописывает символ «P». Получается, что, суммарное количество ячеек находится через произведение числа S и P (рисунок 4). Где 1, 2, 3 - номера ячеек в аккумуляторе. Разные батареи обозначаются буквами «А» и «В».

Рисунок 4. Схемы аккумуляторов

Таким образом, мы получим требования к аккумуляторным батареям беспилотного летательного аппарата, работающего в группе при обработке заданных площадей: емкость, напряжение, скорость заряда, скорость разряда пиковую, скорость разряда номинальную, схему соединения, количество циклов заряда/разряда.

Методика выбора

Методика заключается в сортировке энергоносителей по различным критериям: массе, скорости заряда, количеству циклов заряда/разряда, емкости, напряжению. Аккумуляторная батарея, отвечающая одному из приведенных ранее критериев, проходит на следующий уровень сортировки по другому критерию. В последствии будет получена наглядная модель, по которой можно очень быстро выбрать необходимую АКБ. Значимость критериев определяется требованиями к проектируемому агропромышленному комплексу. Для примера будут использоваться входные данные, перечисленные в Таблице 2.

Таблица 2.

Входные данные

В этой работе был применен метод сбора данных – контент-анализ документов. Контент-анализ документов – это метод первичного сбора данных, при котором документы используются в качестве главного источника информации. Как и любой другой метод, он используется для решения конкретных задач исследования и является неотъемлемой частью любого исследования. [7]

Анализ рынка

Для начала отсортируем аккумуляторные батареи по массе. Как было написано ранее, аккумуляторы делятся на три типа: свинцово-кислотные, щелочные, литий-ионные. К недостаткам свинцово-кислотных аккумуляторов можно отнести большой вес (при проектировании воздушного судна идет борьба за каждый грамм) [9]. На момент написания публикации самыми лучшими по соотношению энергоемкости к массе являются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. Следовательно, применение свинцово-кислотных аккумуляторов не стоит рассматривать далее.

Перейдем к щелочным и литий-ионным источникам энергии. Для их сравнения рассмотрим удельную энергоемкость. У щелочных аккумуляторов она равняется 20-50 Вт*ч/кг [4], а у литий-ионных 110-270 Вт*ч/кг[6]. Поэтому стоит рассматривать литий-ионные аккумуляторные батареи. Для проектируемого конкретного аппарата мы имеем ограничение по максимальной массе АКБ, и по данному критерию убираем модели, которые не соответствуют ему (Рисунок 5).

Рисунок 5. Этапы сортировки

Примечание. Такие параметры как скорость заряда/разряда, количество циклов заряда/разряда, стоимость могут определяться заказчиков на этапе формирования технического задания, тогда эти параметры являются ключевыми при выборе АКБ.

Вторым этапом является анализ предложений на рынке и дальнейшее сравнение их показателей. Именно на этом этапе мы обращаем внимание на напряжение аккумулятора, которое он выдает. Ранее было написано, что аккумуляторы можно объединять для получения требуемых характеристик, однако, если есть покупное решение, то следует выбирать его.

Для анализа были выбраны аккумуляторы от фирм:

• DJI;
• Shenzhen Grepow Battery;
• Okcell;
• CATL;
• Lifepo4;
• General Electronics Technology;
• Evlithium;
• Kokam;
• Turnigy;
• URUAV;
• CNHL;
• B-Grade;
• НЭТЕР (г. Казань) под брендом Li-Pol Systems.

Технические характеристики аккумуляторов представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Модели аккумуляторных батарей, представленных на рынке.

В связи с эксплуатационной особенностью БЛА, работающих в группе, третьим по важности критерием является скорость заряда/разряда. Немаловажным является экономическая составляющая работы в группе. Так как аккумулятор совершает большое количество циклов заряда/разряда, то мы при отборе заинтересованы в том, чтобы аккумулятор имел как можно больше циклов. А также имел низкую стоимость, потому что при расчете экономической эффективности комплекса из нескольких БЛА, стоимость и количество циклов заряда/разряда очень сильно влияют на результат вычислений. Энергоемкость аккумулятора при проектировании коммерческого аппарата отходит на задний план, так как при учете всех факторов может получиться, что придется собирать большой аккумулятор из нескольких ячеек меньшей емкости. (рисунок 4).

Вывод

Подбор аккумулятора является многогранным вопросом, при котором нет единого ответа. Очень много факторов надо учитывать при выборе, потому что аккумулятор очень сильно влияет на коммерческий успех беспилотного летательного аппарата. А как мы все прекрасно знаем, что чем удачнее аппарата спроектирован, тем желаннее он будет для пользователя. В данной статье не были рассмотрены перспективные разработки и теоретические наработки по теме литий-ионных аккумуляторов или иных видов батарей, Представленный материал должен помочь при выборе аккумуляторной батареи для БЛА абсолютно различного назначения, однако в первую очередь это алгоритм подходит для агропромышленного комплекса.

Список литературы:

1. Li-ion аккумуляторы. Способы увеличения их эффективности. // ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ URL: https://cyberleninka.ru/article/n/li-ion-akkumulyatory-sposoby-uvelicheniya-ih-effektivnosti (дата обращения: 17.01.2023)
2. Агарков В.В. Дибир А.Г. Копыченко В.П. Халилов С.А. Хоменко И.И. Авиация в сельском хозяйстве: история, техника, технология, экономика . - Харьков: ТАЛ «Слобожанщина» , 2002. - 404 с.
3. Все о LiPo батареях для FPV дронов // Дрономания онлайн журнал о дронах URL: https://dronomania.ru/faq/vsyo-o-lipo-batareyah-dlya-fpv-dronov.html (дата обращения: 17.01.2023).Железо-никелевый аккумулятор // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Железо-никелевый_аккумулятор/ (дата обращения: 12.08.2022).
4. Железо-никелевый аккумулятор // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Железо-никелевый_аккумулятор/ (дата обращения: 12.08.2022).
5. Литий-ионные аккумуляторы: компьютерное моделирование и проблемы зависимости емкости от токов заряда и разряда. // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014 URL: https://cyberleninka.ru/article/n/litiy-ionnye-akkumulyatory-kompyuternoe-modelirovanie-i-problemy-zavisimosti-emkosti-ot-tokov-zaryada-i-razryada/viewer (дата обращения: 17.01.2023).
6. Литий-ионный аккумулятор // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Литий-ионный_аккумулятор/ (дата обращения: 12.08.2022).
7. Организация психолого-педагогического исследования // studfile URL: https://studfile.net/preview/1603507/ (дата обращения: 15.02.2023).
8. Режимы зарядки Li-ion АКБ // electro.club URL: https://electro.club/content/articles/rejimyi_zaryadki_Li-ion_akb (дата обращения: 20.02.2023).
9. Эксплуатационные особенности аккумуляторов, применяемых в авиационной технике // Научный вестник МГТУ ГА URL: https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/647/565 (дата обращения: 12.08.2022).