Par Baiyun Tang et Augustin Angaud
La mise en place d'un laboratoire de propulsion pour tester des drones (UAV) nécessite une planification minutieuse afin de garantir la sécurité, la fiabilité et la compatibilité des composants.
Dans ces questions-réponses, les ingénieurs de Tyto Robotics partagent des conseils pratiques pour sélectionner les sources d'alimentation, dimensionner les composants et construire un environnement de test sûr, flexible et performant.
Table des matières :
- Comment déterminer vos besoins en puissance
- Comment dimensionner votre contrôleur (ESC) pour votre moteur
- Variables à prendre en compte : Courant, tension, taux de décharge (C)
- Besoins en puissance pour les systèmes de propulsion électrique coaxiaux et distribués
- Quand utiliser une batterie ou une alimentation stabilisée
- Considérations de sécurité pour les batteries et les alimentations
- Derniers conseils pour l'installation et l'utilisation des systèmes d'alimentation
Q1 : Comment déterminer vos besoins en puissance
R : En général, c'est l'ESC qui dicte les besoins en puissance du système. Par exemple, un APD UHV classé pour 28S et 300 A signifie jusqu'à 28 cellules LiPo (103,6 V nominal) et 300 A en continu. En multipliant ces valeurs, vous obtenez un besoin de source d'alimentation de 35 kW.
Cependant, cela peut être complexe si vous associez le même moteur à différents ESC. Plutôt que de vérifier un par un, une meilleure approche consiste à estimer la puissance via la poussée. Par exemple, si le groupe motopropulseur doit fournir 120 kgf, et en supposant une efficacité d'environ 3 gf/W, vous aurez besoin d'au moins 36 kW de puissance continue. Pour plus de sécurité, vous pourriez opter pour un système de 40 kW.
Q2 : Comment dimensionner votre contrôleur (ESC) pour votre moteur
R : Cela dépend du courant traversant le moteur et du couple qu'il génère. Par exemple, avec un moteur de 30 kW fonctionnant à 120 V, l'ESC doit supporter la même tension et fournir encore plus de courant. Un ESC de 120 V et 320 A serait approprié.
Une fois la puissance continue requise connue, il suffit de choisir un ESC avec une tension correspondante et une intensité nominale suffisante, avec une marge de sécurité.
Q3 : Variables à prendre en compte : Courant, tension, taux de décharge (C)
R : Courant continu vs courant de crête : les moteurs et les ESC peuvent subir des pics inattendus même à vitesse constante ; prévoyez donc une marge.
Tension d'alimentation et Kv du moteur : le moteur doit faire tourner l'hélice à la bonne vitesse, ni trop vite (risquant d'endommager l'ESC) ni trop lentement (incapable d'atteindre la poussée cible). C'est particulièrement important lors de l'utilisation de batteries, car il n'est pas facile d'ajuster le nombre de cellules.
Taux de décharge (C) de la batterie : si le taux est trop faible pour le courant requis, les performances en pâtiront.
Gardez également à l'esprit la charge maximale de chaque composant. Par exemple, si le couple est trop élevé pour le régime donné, le moteur pourrait être surchargé, provoquant des pics de courant élevés qui déstabiliseraient ou endommageraient l'alimentation.
Q4 : Puissance requise pour les systèmes de propulsion électrique coaxiaux et distribués
R : Avec les systèmes coaxiaux, la tension reste la même mais le courant double par rapport à une configuration à moteur unique. Vous devrez calculer la puissance totale sur l'ensemble des groupes motopropulseurs, car ils partagent souvent une source d'alimentation commune.
Deux points à surveiller :
- La capacité et le taux de décharge de la batterie doivent supporter le courant de décharge combiné plus élevé. Ajoutez des bancs de condensateurs du côté courant continu (DC) de l'ESC. Le freinage régénératif d'un moteur peut envoyer un courant susceptible d'endommager les autres.
- Les interactions aérodynamiques entre les hélices coaxiales affectent les besoins en puissance. Pour des hélices de taille égale, la puissance requise n'est pas de 2× mais plutôt proche de 1,7×. L'hélice arrière produit moins de couple et de poussée au même régime, réduisant le couple total et les besoins en puissance.
Q5 : Quand utiliser une batterie ou une alimentation stabilisée
R : Les deux options sont valides. Nous utilisons des batteries pour les tests à haute puissance. Elles sont plus résistantes et peuvent absorber l'énergie régénérative. Inversement, nous utilisons des alimentations stabilisées pour les configurations plus petites. Elles sont flexibles et peuvent être ajustées de quelques volts jusqu'à 100 V, couvrant une large gamme d'ESC.
Les alimentations doivent être branchées sur secteur et sont moins tolérantes aux chutes de tension et aux pics de courant. Elles convertissent le courant alternatif (AC) en continu (DC) à l'aide de diodes et se stabilisent avec des condensateurs, qui peuvent surchauffer sous des charges de pointe.
Les batteries, bien que lentes à charger, gèrent mieux les pics de courant grâce au stockage chimique. Elles sont modulaires, portables et peuvent être configurées en série ou en parallèle pour modifier la tension et le courant selon les besoins.
Q6 : Considérations de sécurité pour les batteries et les alimentations
R : Deux préoccupations majeures :
- Courant inverse lors du freinage régénératif : si l'ESC n'a pas de condensateurs du côté DC, la plupart des alimentations ne peuvent pas gérer le courant de retour. Utilisez une diode ou un condensateur comme tampon.
- Surchauffe : les grands bancs de batteries incluent généralement un BMS avec coupure thermique. Les systèmes plus petits peuvent en manquer, utilisez donc des sondes de température ou des thermocouples externes. Ceux-ci peuvent être configurés pour une coupure automatique via le logiciel Flight Stand. (Les bancs d'essai Tyto sont livrés avec ces sondes.)
Également important :
- Ayez toujours un interrupteur de sécurité qui coupe la source d'alimentation. Placez-le près de l'opérateur et loin du système de propulsion. Au laboratoire, il est préférable de séparer totalement l'opérateur de la zone de test.
- Portez des gants haute tension lors de manipulations sur des composants sous tension.
- Gardez le type d'extincteur approprié pour chaque source d'alimentation : batteries et alimentations.
Q7 : Derniers conseils pour l'installation et l'utilisation des systèmes d'alimentation
R : Lisez attentivement vos manuels produits. Les spécifications, les instructions de montage et les limites de sécurité sont là pour vous aider à éviter les problèmes et à garder votre laboratoire sûr et efficace.
En savoir plus :
Article : Comment fonctionne un ESC
Article : Guide des batteries LiPo pour drones