Von Baiyun Tang und Augustin Angaud
Der Aufbau eines Antriebslaboratoriums für UAV-Tests erfordert eine sorgfältige Planung, um Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kompatibilität der Komponenten zu gewährleisten.
In diesem Q&A teilen Ingenieure von Tyto Robotics praktische Tipps zur Auswahl von Stromquellen, zur Dimensionierung von Komponenten und zum Aufbau einer sicheren, flexiblen und leistungsstarken Testumgebung.
Inhaltsverzeichnis:
- So bestimmen Sie Ihren Strombedarf
- So dimensionieren Sie Ihren ESC für Ihren Motor
- Zu berücksichtigende Variablen: Stromstärke, Spannung, C-Rating
- Leistungsanforderungen für koaxiale und verteilte elektrische Antriebssysteme
- Wann Sie einen Akkupack statt eines Netzteils verwenden
- Sicherheitsüberlegungen für Batterien und Netzteile
- Letzte Tipps für die Installation und den Betrieb von Stromsystemen
F1: So bestimmen Sie Ihren Strombedarf
A: In der Regel bestimmt der ESC die Leistungsanforderungen des Systems. Ein APD UHV, der für 28S und 300 A ausgelegt ist, bedeutet beispielsweise bis zu 28 LiPo-Zellen (103,6 V Nennspannung) und 300 A Dauerstrom. Multipliziert man diese Werte, erhält man einen Bedarf von 35 kW.
Es kann jedoch schwierig sein, wenn Sie denselben Motor mit verschiedenen ESCs kombinieren. Anstatt jeden einzeln zu prüfen, ist es besser, die Leistung anhand des Schubs abzuschätzen. Wenn beispielsweise der Antrieb 120 kgf liefern soll und man von einem Wirkungsgrad von etwa 3 gf/W ausgeht, benötigen Sie mindestens 36 kW Dauerleistung. Um auf der sicheren Seite zu sein, sollten Sie sich für ein 40-kW-System entscheiden.
F2: So dimensionieren Sie Ihren ESC für Ihren Motor
A: Es hängt von der durch den Motor fließenden Stromstärke und dem erzeugten Drehmoment ab. Bei einem 30-kW-Motor, der mit 120 V betrieben wird, muss der ESC dieselbe Spannung unterstützen und noch mehr Strom liefern. Ein 120-V-/320-A-ESC wäre dafür geeignet.
Sobald die erforderliche Dauerleistung bekannt ist, müssen Sie lediglich einen ESC mit passender Spannung und ausreichender Stromstärke auswählen – mit einem Sicherheitszuschlag.
F3: Variablen, die zu berücksichtigen sind: Stromstärke, Spannung, C-Rating
A: Dauerstrom vs. Spitzenstrom: Motoren und ESCs können selbst bei konstanter Geschwindigkeit unerwartete Stromspitzen aufweisen, daher sollte ein Puffer eingeplant werden.
Versorgungsspannung und Kv-Wert des Motors: Der Motor sollte den Propeller mit der richtigen Geschwindigkeit drehen – weder zu schnell (Gefahr von ESC-Schäden) noch zu langsam (Zielschub wird nicht erreicht). Dies ist besonders wichtig bei der Verwendung von Batterien, da sich die Anzahl der Zellen nicht einfach anpassen lässt.
C-Rating der Batterie: Wenn die Entladerate für den erforderlichen Strom zu niedrig ist, leidet die Leistung.
Beachten Sie auch die maximale Belastung jeder Komponente. Wenn das Drehmoment für die vorgegebene Drehzahl zu hoch ist, könnte der Motor überlastet werden, was zu hohen Stromspitzen führt, die die Stromversorgung destabilisieren oder beschädigen.
F4: Leistungsanforderungen für koaxiale und verteilte elektrische Antriebssysteme
A: Bei koaxialen Systemen bleibt die Spannung gleich, aber die Stromstärke verdoppelt sich im Vergleich zu einem Ein-Motor-Setup. Sie müssen die Gesamtleistung aller Antriebssysteme berechnen, da sie oft eine gemeinsame Stromquelle nutzen.
Zwei Dinge sind zu beachten:
- Die Akkukapazität und das C-Rating müssen den höheren kombinierten Entladestrom unterstützen. Fügen Sie der DC-Eingangsseite des ESCs Kondensatorbänke hinzu. Die Rekuperation eines Motors kann einen Stromfluss verursachen, der andere beschädigt.
- Aerodynamische Wechselwirkungen zwischen koaxialen Propellern beeinflussen den Leistungsbedarf. Bei gleich großen Propellern beträgt der erforderliche Leistungsbedarf nicht 2-fach, sondern eher 1,7-fach. Der hintere Propeller erzeugt bei gleicher Drehzahl weniger Drehmoment und Schub, wodurch der Gesamtbedarf an Drehmoment und Leistung sinkt.
F5: Wann Sie einen Akkupack statt eines Netzteils verwenden
A: Beide Optionen sind gültig. Wir verwenden Batterien für Hochleistungs-Tests. Sie sind widerstandsfähiger und können Rekuperationsenergie aufnehmen. Umgekehrt verwenden wir Netzteile für kleinere Setups. Sie sind flexibel und können von wenigen Volt bis zu 100 V eingestellt werden, wodurch sie eine Vielzahl von ESCs abdecken.
Netzteile müssen an die Wand angeschlossen werden und vertragen Spannungsabfälle und Stromspitzen weniger gut. Sie wandeln mit Dioden Wechselstrom in Gleichstrom um und stabilisieren ihn mit Kondensatoren, die bei Spitzenlasten überhitzen können.
Batterien hingegen können dank chemischer Speicherung besser mit Stromspitzen umgehen, auch wenn sie langsam geladen werden. Sie sind modular, tragbar und können für die Anpassung von Spannung und Strom nach Bedarf in Reihe oder parallel konfiguriert werden.
F6: Sicherheitsüberlegungen für Batterien und Netzteile
A: Zwei wichtige Punkte:
- Rückstrom während der Rekuperation: Wenn der ESC keine Kondensatoren auf der DC-Seite hat, können die meisten Netzteile den Rückstrom nicht verarbeiten. Verwenden Sie eine Diode oder einen Kondensator als Puffer.
- Überhitzung: Große Akkupacks enthalten in der Regel ein BMS mit thermischer Abschaltung. Kleinere Systeme verfügen möglicherweise nicht darüber, verwenden Sie daher externe Temperatursonden oder Thermoelemente. Diese können mithilfe der Flight Stand-Software für eine automatische Abschaltung konfiguriert werden. (Die Flight Stands von Tyto werden mit diesen Sonden geliefert.)
Auch wichtig:
- Verfügen Sie immer über einen Sicherheitsschalter, der die Stromquelle abschaltet. Platzieren Sie ihn in der Nähe des Bedieners und weit entfernt vom Antriebssystem. Im Labor ist es am besten, den Bediener und den Testbereich vollständig zu trennen.
- Tragen Sie Hochspannungshandschuhe, wenn Sie an spannungsführenden Komponenten arbeiten.
- Halten Sie für jede Stromquelle den richtigen Typ von Feuerlöscher bereit: Batterien und Netzteile.
F7: Letzte Tipps für die Installation und den Betrieb von Stromsystemen
A: Lesen Sie Ihre Produkthandbücher sorgfältig durch. Spezifikationen, Einrichtungsanweisungen und Sicherheitsgrenzen helfen Ihnen, Probleme zu vermeiden und Ihr Labor sicher und effizient zu halten.
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