Batériové chémie pre UAV

Prečo výber batériovej chémie rozhoduje o výkone UAV

Energetický zdroj určuje dolet, užitočné zaťaženie, spoľahlivosť aj bezpečnosť bezpilotných prostriedkov. Rozdiely medzi Li-ion (valcové/prizmatické), LiPo (polymérové pouch články), Li-S (lítium-síra) a solid-state (pevný elektrolyt) sa neprejavujú iba vo Wh/kg, ale aj v prúdovej zaťaži, teplotnom správaní, životnosti, logistike nabíjania a riziku termického úniku. Tento článok dáva prehľad a praktické odporúčania pre UAV v kategóriách multirotor, VTOL a fix-wing.

Kľúčové parametre pri porovnaní batérií pre UAV

• Špecifická energia (Wh/kg) a objemová energia (Wh/l): dolet a profil trupu/podvesu.
• Kontinuálne a špičkové C-rate: akcelerácia, stúpavosť, stabilizácia vo vetre.
• Vnútorný odpor a teplotné deratingy: pokles napätia pod záťažou, účinnosť.
• Životnosť (počet cyklov do 80 % kapacity): TCO a plán výmeny flotily.
• Bezpečnosť/termický únik: riziká pri havárii, prenose a nabíjaní.
• Prevádzkové teploty: výkon v zime/lete a potreba temperácie.
• Diagnostika (SoC/SoH) a kompatibilita s BMS/ESC: presnosť odhadov a ochrany.

Rýchle porovnanie chémii (orientačné hodnoty)

* závisí od generácie a dodávateľa; viaceré hodnoty sú dosiahnuteľné v laboratórnych/prototypových podmienkach.

Li-ion (NMC/NCA/LFP): univerzálny základ

NMC/NCA poskytujú vysokú energetickú hustotu, vhodnú pre fix-wing a VTOL s dlhším letom. Nevýhodou je nižšia C-tolerancia a vyššie riziko termického úniku. LFP prináša nižšie napätie na článok (3,2 V), ale excelentnú životnosť a bezpečnosť, čo ocení servis multirotorov s častými krátkymi cyklami (mapovanie, inšpekcie).

• Výhody: dostupnosť, predvídateľnosť kvality, široká ponuka BMS/packov.
• Nevýhody: výkon v chlade (NMC/NCA), nižšie Wh/kg (LFP), citlivosť na prehriatie.
• Tip pre UAV: pri NMC/NCA počítajte s rezervou výkonu 20–30 % pre špičkové manévre; pri LFP využite vyššie cykly na zníženie TCO flotily.

LiPo (polymérové pouch): šampión prúdu pre multirotory

LiPo packy s vysokým C-rate sú štandardom pre športové a pracovné multirotory, kde je prioritou prúdová dostupnosť a nízky vnútorný odpor.

• Výhody: vysoké špičkové prúdy, tvarová flexibilita, nízky sag.
• Nevýhody: kratšia životnosť, citlivosť na mechanické poškodenie, vyššie riziko nafukovania pri strese.
• Tip pre UAV: uprednostnite packy s reálnym (nie marketingovým) C-rate, sledujte ESR; používajte vyrovnávacie konektory a logujte teplotu článkov.

Li-S (lítium-síra): potenciál pre dlhé lety s obmedZENým prúdom

Li-S sľubuje veľmi vysoké Wh/kg, no s limitmi v C-rate, samovybíjaní a životnosti. Je vhodný pre ľahké fix-wing platformy s konštantným nízkym zaťažením a bez agresívnych manévrov.

• Výhody: vysoká špecifická energia, nižšie nákladové metály (síra).
• Nevýhody: nízka C-tolerancia, kratšia životnosť, citlivosť na nízke teploty.
• Tip pre UAV: vyžaduje konzervatívne dimenzovanie prúdu (≤1–2 C) a špecifické nabíjacie profily dodávateľa.

Solid-state: bezpečnosť a hustota na obzore

Solid-state články s pevným elektrolytom znižujú riziko požiaru a môžu zvýšiť Wh/l. Dnes sú skôr v pilotných dodávkach a testoch. Pre UAV môžu priniesť bezpečnejšie packy s vyššou hustotou pri obdobných C-parametroch ako Li-ion.

• Výhody: zlepšená bezpečnosť, potenciál vyššej objemovej hustoty, nižšie starnutie pri vyšších teplotách.
• Nevýhody: cena, dostupnosť, integračné nejasnosti (nabíjacie krivky, BMS).
• Tip pre UAV: plánujte modulárne šachty a BMS s aktualizovateľným firmvérom.

Výpočty: od výkonu vrtúľ k požadovanej kapacite

Priemerne potrebný výkon pre let: P_avg [W]. Energia batérie: E = V_nom × Q [Wh]. Očakávaný letový čas:

t = (E × η_syst × DoD) / P_avg

• η_syst: účinnosť (ESC, motory, vrtule, kabeláž) 0,80–0,90.
• DoD: využiteľná hĺbka vybitia (LiPo 0,7–0,8; LFP 0,8–0,9; Li-S 0,6–0,7).

Príklad: Multirotor 6S (22,2 V nom), kapacita 10 Ah → E ≈ 222 Wh. Pri P_avg=700 W, η=0,85, DoD=0,8: t ≈ (222×0,85×0,8)/700 ≈ 0,216 h ≈ 13 min.

Dimenzovanie C-rate: aby napätie nepadalo pod limit ESC

Potrebný kontinuálny prúd: I_cont = P_max / V_min. Požadovaný C-rate: C = I_cont / Q. Pridajte 30–50 % rezervu na teplotu a starnutie. Pre multirotor s P_max=1 500 W, V_min=19 V, Q=10 Ah → I_cont≈79 A → C≈7,9 C → voľte pack s reálnym 12–15 C kontinuálne.

Teplota, hustota vzduchu a letový profil

• Chlad: zvyšuje vnútorný odpor, znižuje výkon aj využiteľnú kapacitu. Predohrev packov na 20–30 °C výrazne pomáha (tepelné puzdrá, ohrievacie podložky).
• Teplo: urýchľuje degradáciu a nafukovanie LiPo; limitujte ohriatie článkov na <60 °C pod záťažou.
• Riedky vzduch (nadm. výška): znižuje ťah vrtúľ → vyšší prúd → vyššie tepelné straty; zvážte vrtule s väčším priemerom/stúpaním a pack s vyšším C.

BMS, telemetria a presné odhady SoC/SoH

• Meranie článok-po-článku: balancovanie (passive/active), ochrany OVP/UVP/OCP/OTP.
• Model SoC: kombinujte coulomb counting s napäťovým/teplotným modelom; čisté napätie je pri vysokom prúde nepresné.
• SoH: sledujte nárast ESR, pokles kapacity pri referenčnom cykle, rast teploty pri konštantnom výkone.
• Logovanie: prúd, napätie, teplota, výškomer, výkon ESC → spätné vyhodnotenie stresu packov.

Nabíjanie a obrat flotily

• CC-CV profil pre Li-ion/LiPo/LFP; rešpektujte prúdové limity (typicky 0,5–1 C) a teplotné okná (zvyčajne 10–45 °C).
• Rýchle nabíjanie znižuje životnosť; pre flotilu je optimalizované nabíjanie na 0,7–0,8 C dobrým kompromisom.
• Turnus: aspoň 3 packy na jedno UAV pre kontinuálnu operáciu (let–chladenie–nabíjanie).
• Storage režim: 3,75–3,85 V/článok (cca 40–60 % SoC); skladujte v chlade (10–15 °C) v ohňovzdorných obaloch.

Bezpečnosť: prevencia termického úniku

• Mechanická ochrana: puzdrá tlmiace nárazy, žiadne ostré hrany, odľahčenie konektorov.
• Teplotné čidlá a softvérové limity výkonu pri >55 °C článkov.
• Manipulácia: nikdy nenechávajte nabíjať bez dozoru; používajte LiPo safe bagy a detekciu dymu.
• Havarijný postup: izolovať pack, nehaste vodou; používajte piesok, suché chemické hasiace prostriedky a kontajner na chladenie.

Regulácie pre prepravu a prevádzku

• UN 38.3: vyžadujte certifikáciu skúšok pre leteckú prepravu.
• IATA/ICAO: limity Wh na kus a pravidlá prenášania v kabíne; kryty kontaktov a individuálne balenie.
• Prevádzkové SOP: limity vetra/teploty, kontrola packov pred štartom (napätie článkov v tolerancii, vizuálna kontrola).

Degradácia a údržba packov

• Kalendárne starnutie: urýchľuje ho vysoké SoC a vysoká teplota; minimalizujte čas na 100 % pred letom.
• Cyklické starnutie: vysoký C-rate, hlboké DoD, teplotné špičky; zaveďte limity výkonu a DoD pre tréningové lety.
• Scrap kritériá: ESR ↑ >30 % od nominálu, bunky mimo ±0,05 V v záťaži, nafúknutie, neobnoviteľný drift balansu.

Výber chémie podľa misie UAV

• Multirotor (inšpekcie, mapping): LiPo s reálnym 15–25 C pre krátke intenzívne lety; LFP pre tréning a misie s častým cyklovaním.
• VTOL/Hybrid: kombinácia – LiPo pre vertikálnu fázu (špičky), Li-ion pre cruise; alebo vysokoproudové Li-ion NMC.
• Fix-wing endurance: Li-ion NMC/NCA pre hustotu; Li-S tam, kde je stabilný nízky výkon a akceptujete kratšiu životnosť.

Konstrukčné a integračné aspekty packov

• Modularita: viac menších packov paralelne znižuje ESR a zlepšuje redundanciu (oddelené poistky/relé).
• Chladenie: prietok vzduchu okolo článkov, tepelné mosty k plášťu; pozor na kondenzáciu pri predohreve v zime.
• Konektory a vodiče: prúdová rezerva ≥30 %; minimalizujte dĺžku a prechody; vibračné odľahčenie.

Ekonomika: TCO batérie a flotily

TCO/Wh = (nákupná cena + náklady nabíjania/údržby + strata produktivity vďaka degradácii) / (dodaná energia za životnosť). LFP má často najnižšie TCO pri častom cyklovaní; LiPo maximalizuje výkon za cenu kratšej životnosti; Li-ion NMC/NCA optimalizuje dolet; Li-S/Solid-state môžu mať vyššiu cenu, ale otvárajú nové profily misií.

Checklist pred štartom a po pristátí

• Pred štartom: balanc ≤10 mV medzi článkami, pack ≥20 °C (zima), konektory fixované, SOC podľa profilu misie.
• Po pristátí: zaznamenajte min. napätie, max. teplotu, vyhodnoťte sag a spotrebu; ak >80 % DoD, znížte výkon/čas letu.
• Týždenne: kontrola ESR a vizuálna inšpekcia; re-kalibrácia coulomb countera.

Budúci vývoj a praktické odporúčania

• Kratkodobo: optimalizujte aerodynamiku a pohon skôr, než naháňate nové chémie – zisk 10–20 % výdrže býva v hnacej sústave.
• Strednodobo: sledujte vysokonapäťové Li-ion (HV) s vyšším napätím článka a vylepšenými separátormi.
• Dlhodobo: solid-state pre bezpečnosť a hustotu; Li-S pre ultra-light fix-wing s nízkym C-load.

Zhrnutie: výber chémie je stratégia, nie voľba z katalógu

LiPo prináša špičkový prúd a agility, Li-ion (NMC/NCA) dolet, LFP robustnosť a nízke TCO a Li-S/Solid-state potenciál novej generácie. Rozhodujte podľa profilu misie, teploty a logistiky nabíjania. Investujte do merania (SoC/SoH, teplota, prúd), do bezpečnostných postupov a do tréningu personálu – práve to premieňa špecifikácie z datasheetu na spoľahlivú prevádzku UAV.