Manažment tepla v pohone UAV

Manažment tepla v pohonných systémoch UAV: prepojenie modelovania a experimentu

Rast hustoty výkonu v pohonoch UAV (motory, regulátory otáčok, batérie, prevodovka) zvyšuje tepelné zaťaženie a riziko degradácie spoľahlivosti. Cieľom tohto článku je predstaviť praktický rámec manažmentu tepla založený na kombinácii viacúrovňového modelovania a experimentálneho overenia. Text sa zameriava na multirotorové aj pevné krídla a zahŕňa elektrické aj hybridné konfigurácie.

Typické zdroje tepla v pohone UAV

• Elektrický motor (BLDC/PMSM): medené straty I²R, železné straty (hysterezné a vírivé), mechanické straty ložísk a ventilácie.
• Regulátor (ESC): spínacie straty polovodičov, vodivé straty v MOSFET/IGBT, straty na shuntoch a v driveroch.
• Batéria: ohmické straty v článkoch a kolektoroch, teplo z chemických procesov pri vysokom C-rate, riziko tepelného úniku.
• Prevodovka a ložiská: viskózne a trecie straty, špeciálne pri dlhodobom lete s meniacim sa zaťažením.

Architektúra chladenia: od zdroja k prostrediu

Tepelná cesta sa spravidla skladá z: tvorba tepla → vedenie (kondukcia) v obaloch a podložkách → rozvod (heat spreader) → odovzdanie do prúdiaceho vzduchu (konvekcia) → sálanie. Kľúčové je minimalizovať tepelné odpory v sérii a maximalizovať konvekčný prenos v typických letových rýchlostiach 5–40 m·s⁻¹.

Materiály a rozhrania

Modelovanie: viacúrovňový prístup

Odporúča sa kombinovať rýchle náhradné modely pre predbežný návrh s detailnými simuláciami pre finálne ladenie. Nasledujú štyri stupne vernosti:

1. Lumped-parameter (RC) modely: tepelné obvody s tepelnými kapacitami C a odporom R_th. Rovnica pre uzol: C·dT/dt = P_straty − (T − T_amb)/R_th.
2. 1D/2D analytické aproximácie: prenos tepla v doskách a rebrách, výpočet optimálnej výšky/rozstupu rebier pri danom Re a Nu koreláciách.
3. CFD konvekcie: simulácia vonkajšieho omývania trupu a nasávačov, interakcia vrtuľového prúdu s chladičom, tlakové straty kanálov.
4. 3D FEA (kondukcia a spojenia): lokálne hot-spoty v ESC a vinutí, návrh heat spreaderov, validácia kontaktov TIM.

Straty a tepelné zdroje: odhad veľkosti

• Motor: P_Cu = I²·R(T), kde R(T) ≈ R₂₀[1 + α(T−20 °C)], α≈0,004 K⁻¹. Železné straty rastú približne s n·B².
• ESC: P_cond ≈ I²·R_DS(on), P_sw ≈ 0,5·V·I·(t_r+t_f)·f_sw·N_fet.
• Batéria: P_bat ≈ I²·R_int; pri vysokých C-rate sa uplatní aj entropické teplo (znak ± podľa stavu nabitia).

Konvekcia a aerotermika: rýchle odhady

Nusseltove korelácie pre prúdenie vzduchu poskytujú uzávery pre návrh:

• Vonkajšie omývanie dosky (turbulentné): Nu_L ≈ 0,037·Re_L^0,8·Pr^1/3.
• Kanál obdĺžnikového prierezu: použite hydraulický priemer D_h, Nu ≈ f(Re, Pr, L/D_h); tlaková strata Δp ≈ f·(L/D_h)·(ρv²/2).
• Vplyv vrtule: indukované zrýchlenie prúdu zvyšuje h, ale znižuje statický tlak; optimalizujte umiestnenie chladiča mimo odtokovej separácie.

Návrh chladiča a kanálov: metodika

1. Stanovte P_teplo (worst-case, 95. percentil zaťaženia) a povolený ΔT = T_max − T_amb.
2. Určte potrebný tepelný odpor R_th,celk ≤ ΔT/P_teplo a rozložte ho na R_spoj + R_rozvod + R_konvekcia.
3. Navrhnite rebrá: pomer výšky k hrúbke 10–20, rozstup pre cieľové Re, obmedzte tlakové straty pre malé dúchadlá.
4. Minimalizujte TIM hrúbku (< 100–200 µm), zabezpečte rovinnosť a upínací tlak.
5. Validujte prúdenie: či je prívodný otvor >= 1,2× výstupného a či nedochádza k recirkulácii.

Pokročilé prvky: heat pipes, PCM a kvapalinové chladenie

• Heat pipes / vapor chambers: vysoká efektívna vodivosť pre rozloženie hot-spotov v ESC a pod článkami batérie.
• Fáza-menivé materiály (PCM): stabilizácia teplotných špičiek počas stúpania; dôležitá je zabudovaná hmotnosť a cyklovateľnosť.
• Uzavreté kvapalinové slučky: pre hybridné/VTOL s vysokým trvalým výkonom; penalizácia hmotnosti a riziko úniku vyžaduje FMEA.

Modelovanie batérií: teplo a bezpečnosť

Termoelektrický model článku spája elektrický ekvivalent (R₀−R₁||C₁) s parciálnou diferenciálnou rovnicou vedenia tepla. Pre pack platí sieť uzlov (články, medzníky, separátory) s anizotropným vedením. Bezpečnostné hranice: T_prevádzka 0–60 °C (typicky), T_max článku < 55 °C pri dlhodobom zaťažení, ΔT medzi článkami < 5 °C.

Experimentálne merania: senzorika a metodika

• Teplotné senzory: termočlánky typu K (izolované), RTD Pt100/1000 pre referenciu, NTC na PCB ESC.
• IR termografia: kalibrácia emisivity, matné čierne nátery, korekcia odrazov v prietokových tuneloch.
• Prietok a tlak: Pitot, anemometre, diferenc. tlakové snímače pre kanály.
• Elektrické veličiny: presná metrológia V, I, ripple, f_sw, záznam telemetrie z ESC/batérie.
• Datalogging: ≥10 Hz pre teploty, ≥1 kHz pre elektrické veličiny; synchronizácia časovej základne.

Skúšky v laboratóriu a v poli

1. Stend motora: kontrolovaný krútiaci moment/otáčky, simulácia vrtule, mapy účinnosti a teploty vinutí/magnetov.
2. ESC bench: stupňované zaťaženie, meranie teploty polovodičov, validácia chladiča a prúdenia v kanáli.
3. Pack cycling: cykly nabíjania/vybíjania pri rôznych C-rate a prúdení, sledovanie ΔT medzi článkami.
4. Letové testy: profil „climb–cruise–hover–descent“, veterné podmienky, zber letovej telemetrie a teplôt na palube.

Plán experimentu (DoE) a metriky

• Faktory: rýchlosť prúdenia, zaťaženie [% výkonu], konfigurácia rebier, poloha ESC, typ TIM.
• Odpovede: T_max, R_th,celk, ΔT medzi článkami, tepelná časová konstanta τ, účinnosť η.
• Randomizácia a replikácie: minimalizácia driftu podmienok.
• Analýza: ANOVA, povrch odozvy pre optimalizáciu hmotnosť ↔ ΔT.

Neistota merania a kalibrácia

Kombinovaná neistota u_c sa stanovuje pomocou koreňu zo súčtu štvorcov čiastkových neistôt (senzory, prúdenie, emisivita). Kalibrujte termočlánky vo vodných/kombinovaných lázniach, validujte IR kameru čiernym telesom. Pri reportovaní uvádzajte interval spoľahlivosti (napr. k = 2) a časové priemery vs. špičky.

Prípadový postup: ESC v kanáli trupu

1. Hypotéza: ESC prekračuje 95 °C pri stúpaní > 80 % výkonu.
2. RC model: odhad R_th z ESC do vzduchu 2,5 K·W⁻¹, C = 45 J·K⁻¹ → τ ≈ 113 s.
3. CFD: recirkulácia v zadnej časti kapsy; návrh deflektora a zväčšenie výstupu o 20 %.
4. Prototyp: pridaný vapor chamber + TIM 100 µm, rebrá 12 mm, rozstup 4 mm.
5. Test: T_max klesla na 82 °C, Δp kanála +12 Pa (akceptovateľné), stabilita pri dlhšom stúpaní.

Integrácia s aerodynamikou vrtule

Vrtuľový slipstream zvyšuje lokálne h a zároveň môže meniť smer prúdenia v kanáloch. Umiestňujte chladiče mimo silných gradientov rýchlosti a vyhnite sa tangencii na trailing-edge, kde vzniká separácia. Pre VTOL konverzie validujte režimy hover vs. forward flight – tepelné podmienky sa môžu zásadne líšiť.

Hybridné pohony: motor/generátor a spaľovací zdroj

• Výfukové teplo: tienenie batérií a ESC pred sálaním, keramické fólie, ventilačné clony.
• Kvapalinové okruhy: spárovanie s chladičom oleja/kvapaliny generátora; potreba nízkej hmotnosti čerpadla a redundantných ciest.
• Vibrácie: vplyv na kontaktný odpor TIM a uvoľnenie skrutkových spojov; používajte poistné prvky.

Bezpečnosť a FMEA pre tepelné udalosti

• Definujte kritické teploty T_crit pre motor, ESC a batérie a implementujte softvérové limitery.
• Detegujte rýchlosť nárastu teploty dT/dt ako skorý varovný signál.
• Navrhnite bezpečné odvetranie a oddelenie batériového priestoru, tepelné poistky.
• Simulujte zlyhanie ventilácie (zanesenie filtra, zakrytie otvoru) a overte čas do T_crit.

Digitálne dvojča tepelného manažmentu

Prepojením RC modelov, CFD/FEA a telemetrie z letu vzniká digitálne dvojča, ktoré umožňuje prediktívne riadenie: adaptívny limit výkonu, predohrev batérií pri nízkej teplote, dynamické smerovanie prúdenia (aktívne klapky) či plánovanie profilu letu vzhľadom na tepelné rezervy.

Validácia modelu: kroky a kritériá

1. Identifikácia parametrov: fit R_th a C z krokovej odozvy výkonu → teplota.
2. Cross-validácia: iný profil zaťaženia, iná rýchlosť prúdenia; cieľ MAPE < 10 % pre T(t).
3. Senzitivita: vplyv hrúbky TIM, emisivity, rýchlosti prúdenia; určenie robustných parametrov.
4. Letové potvrdenie: porovnanie so záznamom telemetrie; korekcia modelu na reálnu turbulenciu a vibrácie.

Praktický návrhový checklist

• Kvantifikujte P_straty pre climb/hover/cruise a určte T_max limity.
• Rozdeľte R_th na spoj–rozvod–konvekciu; identifikujte úzke hrdlá.
• Navrhnite prívod/odvod vzduchu s rezervou proti recirkulácii; overte CFD/experimentom.
• Minimalizujte TIM hrúbku, skontrolujte kontaktný tlak a rovinnosť.
• Implementujte senzory a telemetriu s alarmami na T a dT/dt.
• Spustite DoE: rýchlosť prúdenia × rebrá × poloha ESC × zaťaženie.
• Validujte v poli: letové profily a klimatické extrémy (−10 až +40 °C).

Optimalizácia hmotnosť vs. tepelná rezerva

Každý gram chladiča skracuje výdrž letu. Použite Pareto front: minimalizujte hmotnosť pri danom T_max. Kombinácia tenkých vapor chambers a smerového prúdenia často dosiahne rovnaké T_max pri nižšej hmotnosti než masívne rebrá.

Reportovanie a dokumentácia

• Mapa tepelných ciest (schematicky) s hodnotami R_th.
• Tabuľka T_max pre režimy letu, podmienky vetra a okolitej teploty.
• Protokoly kalibrácie senzorov a neistoty meraní.
• „Thermal limits“ v letovej príručke: alarmy, reakcie autopilota, odporúčané profily stúpania.

Úspešný manažment tepla v pohonných systémoch UAV je výsledkom iterácie medzi modelom a experimentom. Rýchle RC modely dávajú smer, CFD/FEA odhaľujú detaily a letové testy prinášajú realitu. Ak návrh tepelnej cesty premietnete do aerodynamiky platformy, senzoriky a riadenia, získate ľahší, spoľahlivejší a bezpečnejší systém s vyššou využiteľnosťou výkonu a dlhšou životnosťou komponentov.