中國(guó)粉體網(wǎng)訊 當(dāng)前,低空經(jīng)濟(jì)正在快速發(fā)展,無(wú)人機(jī)等飛行器已經(jīng)逐漸應(yīng)用在測(cè)繪、航拍、農(nóng)業(yè)、物流、醫(yī)療或緊急救援等領(lǐng)域。尤其在一些人力執(zhí)行相當(dāng)棘手且危險(xiǎn)的領(lǐng)域,無(wú)人機(jī)成為了我們的得力幫手。
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相關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)研顯示,全球無(wú)人飛行器市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2024年的317億美元成長(zhǎng)至2030年的912.3億美元,預(yù)測(cè)期間的年復(fù)合增長(zhǎng)率為16.3%。
市場(chǎng)不斷擴(kuò)大的同時(shí),對(duì)無(wú)人機(jī)的性能要求越來(lái)越高,比如圖像傳輸速度和清晰度等,還要飛得越高飛得越久,相應(yīng)地其工作時(shí)產(chǎn)生的熱量也越來(lái)越多。但是由于無(wú)人機(jī)的體積要盡可能小巧,這便導(dǎo)致其整體設(shè)備的散熱成為了制約其技術(shù)突進(jìn)的瓶頸。
01.熱從何來(lái)
電池
電池是無(wú)人機(jī)的能量?jī)?chǔ)備庫(kù),當(dāng)電池放電時(shí),化學(xué)能變?yōu)殡娔茯?qū)動(dòng)電機(jī),這個(gè)過(guò)程會(huì)發(fā)熱,尤其在無(wú)人機(jī)緊急起飛或者快速攀升時(shí)需要大功率輸出,電池需要高倍率放電,電池發(fā)熱問(wèn)題更為嚴(yán)重。
相關(guān)研究表明,鋰離子電池的最佳使用溫度范圍為25~40℃,超過(guò)45℃電池性能就會(huì)下降,甚至?xí)鸹鸨。因此需要?duì)無(wú)人機(jī)用鋰離子電池進(jìn)行散熱設(shè)計(jì),使其產(chǎn)生的熱量及時(shí)地散去。
電機(jī)、電調(diào)
無(wú)人機(jī)的兩大核心就是電機(jī)和電調(diào)(即電子調(diào)速器)。
無(wú)人機(jī)飛行全靠螺旋槳或者渦扇來(lái)牽引帶動(dòng),驅(qū)動(dòng)它們旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力都是來(lái)自電機(jī),電機(jī)作為無(wú)人機(jī)的動(dòng)力輸出單元,也是個(gè)“發(fā)熱大戶”。電機(jī)內(nèi)部有鐵芯和繞組線圈,繞組通電產(chǎn)生電阻損耗,也就是常說(shuō)的銅損,電流越大、電阻越高,銅損就越大,發(fā)熱也就越厲害;鐵芯在交變磁場(chǎng)下會(huì)產(chǎn)生磁滯渦流損耗,即鐵損。像無(wú)人機(jī)在持續(xù)飛行、尤其是高速巡航時(shí),電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),銅損和鐵損疊加,熱量迅速積聚,這不僅會(huì)降低電機(jī)自身的效率,導(dǎo)致動(dòng)力輸出減弱,還可能使電機(jī)的絕緣材料受損,引發(fā)短路故障,讓飛行器在空中失去動(dòng)力,后果不堪設(shè)想。
電機(jī)隨時(shí)承擔(dān)著動(dòng)力輸出工作,電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率大小卻是靠電調(diào)控制,所以無(wú)人機(jī)能平穩(wěn)飛行電調(diào)是功不可沒(méi)的。電調(diào)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,如果電調(diào)過(guò)熱導(dǎo)致性能衰減,那就不能很好地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,那飛控就無(wú)法承受住這樣大的電流。
逆變器
負(fù)責(zé)將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的交流電。逆變器工作時(shí),通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管的頻繁導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。在這個(gè)過(guò)程中,開(kāi)關(guān)管自身會(huì)產(chǎn)生熱量,而且由于電流的快速變化,還會(huì)在電路中形成高頻諧波,進(jìn)一步增加損耗、產(chǎn)生熱量。一旦逆變器過(guò)熱,其內(nèi)部的電子元件性能會(huì)下降,甚至損壞,造成交流電輸出異常,電機(jī)無(wú)法正常工作,無(wú)人機(jī)也就陷入了飛行困境。
馬達(dá)與推進(jìn)系統(tǒng)電動(dòng)馬達(dá)
驅(qū)動(dòng)螺旋槳的馬達(dá)會(huì)因電阻和機(jī)械摩擦而產(chǎn)生熱量,尤其是在高負(fù)載或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作時(shí)。電子速度控制器這些裝置可調(diào)節(jié)馬達(dá)的速度,并在運(yùn)作期間產(chǎn)生熱量,尤其是在管理高電流時(shí)。
配電系統(tǒng)配線和連接器
電氣連接器和配線會(huì)因電阻而產(chǎn)生熱量,特別是當(dāng)電氣連接器和配線的大小不足以承載電流或連接不良時(shí)。
此外,無(wú)人機(jī)等各類(lèi)飛行器具有一定的智能化功能,實(shí)現(xiàn)這些先進(jìn)功能也必使得芯片和器件本身的發(fā)熱量進(jìn)一步增加。如攝像頭,它是飛行器的眼睛,然而攝像頭在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量多,如果散熱不及時(shí),導(dǎo)致溫度升高,電子設(shè)備電阻升高,就會(huì)損壞電子元件,從而影響圖像傳送的穩(wěn)定性。
02.散熱“三十六計(jì)”
為了解決無(wú)人機(jī)散熱問(wèn)題,工程師們想了很多辦法,如液冷、風(fēng)冷以及各種高效的導(dǎo)散熱材料。
液冷,就像是給設(shè)備安排了一條“清涼小溪”。冷卻液在封閉的管路中循環(huán)流動(dòng),流經(jīng)發(fā)熱部件時(shí),熱量就如同被溪水裹挾著,源源不斷地帶走。重新冷卻后的冷卻液又回到電池部位,如此往復(fù),確保電池始終處于適宜的工作溫度區(qū)間。
風(fēng)冷,則是借助風(fēng)扇、通風(fēng)口等,讓空氣流動(dòng)起來(lái)帶走熱量,好似給設(shè)備吹起了“清涼之風(fēng)”。在一些小型無(wú)人機(jī)或者對(duì)重量、成本控制極為嚴(yán)苛的項(xiàng)目中,風(fēng)冷大顯身手。
電池包用膠詳解,來(lái)源:漢高
導(dǎo)/散熱材料及部件在無(wú)人機(jī)熱管理中表現(xiàn)也相當(dāng)給力,例如,在電池?zé)峁芾碇,?dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱粘接膠、導(dǎo)熱墊片等熱界面材料必不可少;在芯片散熱方面,熱界面材料、熱管、均熱板等也能發(fā)揮重要作用。
小結(jié)
總之,無(wú)人機(jī)的技術(shù)發(fā)展與熱管理水平息息相關(guān),有效的熱管理解決方案可確保所有元件在指定的溫度范圍內(nèi)運(yùn)作,提升飛行作業(yè)的性能、可靠性與安全性。
參考來(lái)源:
[1]中國(guó)粉體網(wǎng)
[2]eVTOL熱管理:解鎖電動(dòng)飛行的“熱”密碼.eVTOL產(chǎn)業(yè)通
[3]無(wú)人機(jī)用鋰離子電池散熱設(shè)計(jì).清華大學(xué)
[4]新一代無(wú)人飛行器(UAV)熱管理的需求與機(jī)遇.熱管理Ultra
[5]無(wú)人機(jī)散熱方案.工典科技
(中國(guó)粉體網(wǎng)/山川)
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