Baterie półprzewodnikowe w dronach: zwycięstwa, przeszkody i dalsze losy operatorów

Wynik? Nieprzerwany lot trwający 48 minut i 10 sekund — coś, co jeszcze kilka lat temu byłoby nie do pomyślenia w przypadku akumulatorów litowo-jonowych. Dla każdego w kosmosie to nie tylko liczba; to dowódpółprzewodnikowemoże rozwiązać dwa największe problemy operatorów dronów: krótki czas lotu i obawy dotyczące bezpieczeństwa. Ten lot testowy nie tylko pobił rekord – pokazał, że eVTOL (i ogólnie drony) będą mogły wkrótce wykonywać dłuższe i bardziej niezawodne misje bez konieczności ograniczania bezpieczeństwa.

Do akcji wkroczył także Panasonic, oferując model Aakumulator półprzewodnikowyzbudowany specjalnie dla mniejszych dronów, a ich specyfikacje trafiają w gust zapracowanych operatorów. Wyobraź sobie ładowanie baterii drona od 10% do 80% w 3 minuty. W przypadku zespołu dostawczego obsługującego ponad 20 lotów dziennie oznacza to skrócenie przestojów z 30 minut (w przypadku akumulatorów litowo-jonowych) do prawie zera. Jeszcze lepiej? Wytrzymuje od 10 000 do 100 000 cykli ładowania w temperaturze pokojowej. Firma budowlana, z którą współpracujemy, powiedziała nam, że wymienia akumulatory litowo-jonowe co 6 miesięcy — ta opcja Panasonic może wystarczyć na ponad 5 lat. To ogromna oszczędność kosztów, ale oznacza również, że mniej baterii ląduje na wysypiskach śmieci – jest to coś, o co coraz częściej pytają klienci, którzy stawiają na zrównoważony rozwój.

Ale oto rzecz, której nie osładzamy klientom: półprzewodnik wciąż ma trudności z pokonaniem, zanim znajdzie się w każdym dronie. W ciągu ostatnich 6 miesięcy rozmawialiśmy z dziesiątkami małych i średnich operatorów dronów i wszystkie ich obawy dotyczą tych samych wyzwań – wykraczających poza „dobre specyfikacje na papierze”.

Najpierw weź pod uwagę koszty. Same materiały są droższe: stałe elektrolity w tych akumulatorach kosztują więcej niż ciekłe w litowo-jonowych, a maszyny potrzebne do ich wytworzenia? Nie są z półki. Początkujący producent dronów z Teksasu powiedział nam, że chce przejść na drony półprzewodnikowe, ale początkowy koszt przezbrojenia konfiguracji baterii pochłonąłby cały roczny budżet. Dla dużych graczy, takich jak EHang czy Panasonic, jest to wykonalne, ale dla większości operatorów jest to obecnie bariera.

Następnie pojawia się problem „stabilności interfejsu” – fantazyjne określenia na prosty problem: stały elektrolit i elektrody akumulatora muszą pozostawać w ścisłym, stałym kontakcie, aby dobrze działać. Ale za każdym razem, gdy akumulator jest ładowany i rozładowywany, elektrody nieco się kurczą i rozszerzają. Z biegiem czasu tworzą się małe szczeliny, a bateria szybciej traci moc. Widzieliśmy to na własne oczy podczas testu drona rolniczego zeszłej wiosny: po 50 cyklach czas pracy akumulatora półprzewodnikowego spadł o 12% – nie było to przeszkodą w transakcji, ale na tyle, że rolnik zapytał: „Czy sytuacja się pogorszy?” W tej chwili odpowiedź brzmi „być może”, dopóki producenci nie wymyślą trwalszych materiałów na elektrody.

Kruchość to kolejny ból głowy, szczególnie w przypadku dronów latających w trudnych warunkach. Większość stałych elektrolitów na bazie ceramiki jest twarda, ale nie elastyczna. Zeszłej zimy zespół poszukiwawczo-ratowniczy w Kolorado przetestował akumulator ceramiczno-elektrolitowy; podczas lądowania na kamienistym terenie pękła obudowa akumulatora (na szczęście nie doszło do pożaru), a dron stracił moc. W takim scenariuszu akumulator litowo-jonowy może wyciekać, ale zwykle działa wystarczająco długo, aby bezpiecznie wylądować. W przypadku dronów, które radzą sobie z wibracjami (np. skanery na placach budowy) lub twardymi lądowaniami (np. drony monitorujące dziką przyrodę), jest to duży problem.

Nawet dendryty litu – te maleńkie, przypominające igły struktury, które powodują zwarcie akumulatorów litowo-jonowych – nie zniknęły całkowicie. W przypadku akumulatorów półprzewodnikowych są one rzadsze, ale od inżynierów zajmujących się akumulatorami słyszeliśmy, że przy dużych prędkościach ładowania (takich jak 3-minutowe ładowanie firmy Panasonic) dendryty nadal mogą się tworzyć. Jest to mniejsze ryzyko, ale w przypadku operatorów latających nad zatłoczonymi obszarami określenie „mniejsze” nie zawsze jest „wystarczająco dobre”.

Ciepło to kolejna niespodzianka. Półprzewodnik jest bezpieczniejszy w wysokich temperaturach niż litowo-jonowy, ale nie rozprasza również ciepła. Dron używany do zadań wymagających dużej mocy, takich jak podnoszenie ciężkich ładunków lub długie latanie z maksymalną prędkością, może szybko nagrzewać się. Współpracowaliśmy z klientem logistycznym, testując drona półprzewodnikowego do dostaw paczek o wadze 50 funtów; po 25 minutach lotu akumulator nagrzał się na tyle, że oprogramowanie drona wymusiło wcześniejsze lądowanie. Musieli dodać lekki radiator, który zmniejszał ładowność, co częściowo niweczyło cel przejścia na półprzewodnikowy.

Nie zapominajmy też o skali produkcji. Obecnie większość akumulatorów półprzewodnikowych jest produkowana w małych partiach. Operator drona, który potrzebuje 100 akumulatorów miesięcznie, może czekać na dostawę 6-8 tygodni, podczas gdy akumulatory litowo-jonowe są dostępne w magazynie tego samego dnia. Dopóki fabryki nie będą w stanie wyprodukować akumulatorów półprzewodnikowych tak szybko (i tanio) jak litowo-jonowe, wdrażanie będzie powolne dla wszystkich oprócz największych zespołów.

Jeśli chodzi o same elektrolity stałe, nie ma jednego uniwersalnego rozwiązania. Ceramika doskonale nadaje się do przewodnictwa — pozwala na szybki przepływ jonów, co oznacza większą moc — ale jak widzieliśmy, jest krucha. Polimery są elastyczne, więc lepiej radzą sobie z wibracjami, ale są wolniejsze w temperaturze pokojowej – w porządku w przypadku wolno poruszającego się drona rolniczego, ale źle w przypadku drona szybko dostawczego. Siarczki to rozwiązanie pośrednie: dobra przewodność i elastyczność, ale reagują na wilgoć. Operator drona przybrzeżnego na Florydzie powiedział nam, że do akumulatorów siarczkowych musi dodać wodoodporną obudowę, co zwiększa wagę. Wybór odpowiedniego elektrolitu zależy całkowicie od tego, co dron robi i gdzie leci.

Oto jednak dobra wiadomość: każde wyzwanie, o którym wspomnieliśmy, jest rozwiązywane, jeden test na raz. Lot EHanga nie był przypadkowy; to znak, że producenci zastanawiają się, jak dostosować półprzewodnik do dronów. Szybko ładująca się bateria Panasonic to nie tylko prototyp — zaczyna być dostarczana do wybranych klientów. A ponieważ coraz więcej operatorów będzie wymagać rozwiązań półprzewodnikowych, koszty spadną.

Dla każdego, kto prowadzi obecnie firmę zajmującą się dronami, pytanie nie brzmi „czy” półprzewodnikowe przejmie kontrolę – tylko „kiedy i jak się przygotować”. Zacznij od małych rzeczy: przetestuj kilka akumulatorów półprzewodnikowych w dronach, na które jest największe zapotrzebowanie (takich jak drony dostawcze lub poszukiwawczo-ratownicze) i śledź oszczędności w zakresie czasu i wymian. Porozmawiaj ze swoim dostawcą baterii o niestandardowych rozwiązaniach — wielu z nich jest skłonnych dostosować elektrolity do konkretnego przypadku zastosowania.

Półprzewodnikowy nie jest jeszcze doskonały, ale już jest lepszy od litowo-jonowego w najważniejszych aspektach: dłuższych lotach, bezpieczniejszych operacjach i krótszych przestojach. A kiedy załamania się rozwiążą? Patrzymy w przyszłość, w której drony nie tylko „wykonują swoją pracę” – robią to szybciej, taniej i w większej liczbie miejsc niż kiedykolwiek wcześniej.

Jeśli ciekawi Cię, który akumulator półprzewodnikowy będzie odpowiedni dla Twoich dronów lub chcesz dowiedzieć się więcej o testach, które przeprowadziliśmy z klientami, napisz do nas. To nie jest tylko rozmowa o technologii — chodzi o to, aby operacje wykonywane za pomocą dronów pracowały dla Ciebie ciężej.