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Batteriemanagement-Design Verlängerte Flugzeit und Batterielebensdauer von Quadrocoptern und Industrie-Drohnen

| Redakteur: Gudrun Zehrer

Texas Instruments (TI) kündigte vor kurzem zwei schaltungsbasierte Subsystem-Referenzdesigns an, die Herstellern helfen sollen, die Flugzeit und Batterielebensdauer von Quadrocoptern und anderen nichtmilitärischen Drohnen für Consumer- und Digital-Anwendungen, die zur Auslieferung von Paketen sowie für Überwachungs- und Kommunikationszwecke eingesetzt werden, zu verlängern.

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TI-Technologie mit Innovationen in Sachen Batteriemanagement und Motorregelungs-Effizienz.
TI-Technologie mit Innovationen in Sachen Batteriemanagement und Motorregelungs-Effizienz.
(Bild: Texas Instruments )

„Die Flugzeit bleibt eine vorrangige Herausforderung beim Design von Freizeit-Quadrocoptern und professionellen Drohnen, speziell, wenn diese von Unternehmen für den Betrieb ohne Sichtverbindung genutzt werden. Lieferdienste etwa benötigen Drohnen mit längerer Akkulaufzeit. Sie testen bereits die Paketzustellung mit Drohnen, um auszuloten, was diesbezüglich möglich ist“, sagt Stelios Kotakis, Senior Analyst of Data Transmission & Managed Services bei IHS Markit. Nach der jüngst von IHS Markit vorgelegten Studie "Service Robots & Drones Report – 2016" haben nahezu 50 Prozent der auf dem Markt angebotenen Drohnen eine geschätzte Akkulaufzeit von unter 30 Minuten. 35 Prozent können zwischen 31 und 60 Minuten in der Luft bleiben, während die verbleibenden 15 Prozent mehr als eine Stunde fliegen können. Alle Zeiten gelten für ideale Flugbedingungen und ohne zusätzliche Nutzlast.

Akkusatz wird zum intelligenten Black-Box-Recorder

Das 2S1P Battery Management System (BMS) Referenzdesign verwandelt den Akkusatz einer Drohne in einen intelligenten Black-Box-Recorder, der die Restkapazität präzise überwacht und den Li-Ion-Akku während seiner gesamten Lebensdauer schützt. Designer können das Drohnen-BMS-Referenzdesign nutzen, um beliebige existierende Drohnen-Designs durch Füllstandsanzeige-, Schutz-, Ausgleichs- und Ladefunktionen aufzuwerten und die Flugzeit zu verlängern. Das Design nutzt den für mehrere Li-Ion-Zellen geeigneten Füllstandsanzeige-Baustein bq4050 zur exakten Messung der verbleibenden Kapazität über die gesamte Lebensdauer der Batterie und ist zusätzlich mit dem Akkuladecontroller bq24600 sowie einem effizienten Gleichspannungswandler ausgestattet, um den Wirkungsgrad der Leistungswandlung zu erhöhen.

Drohnen mit längeren Flugzeiten und stabilerem Flugverhalten

Als weiteres Hindernis, das der Verlängerung der Flugzeiten im Weg stand, galt die Ineffizienz der Antriebsmotoren für die Propeller. Das TI-Referenzdesign für elektronische Drehzahlregler für Drohnen soll den Herstellern bei der Konstruktion von Drohnen mit längeren Flugzeiten und gleichmäßigerem, stabilerem Flugverhalten unterstützen. Mit dem Sensorless High-Speed Field Oriented Control Reference Design for Drone Electronic Speed Control sollen elektronische Drehzahlreglern den größtmöglichen Wirkungsgrads bei Drehzahlen von mehr als 12.000 min-1 (elektrisch über 1,2 kHz) einschließlich einer schnellen Drehrichtungsumkehr für stabile Rollbewegungen erzielen.

High-Speed-Performance für effiziente Motoren

Das Design ist mit der Lösung InstaSpin-Foc C2000 von TI ausgestattet, einschließlich eines Mikrocontrollers vom Typ F28027F für eine präzise Motorsteuerung sowie des proprietären Field-Observer-Softwarealgorithmus FAST zur Abschätzung von Fluss-, Winkel, Drehzahl und Drehmoment des Rotors. Mithilfe von Informationen über die Motorparameter wird die Stromregelbandbreite eingestellt. Im Unterschied zu anderen Techniken ist der sensorlos arbeitende Observer-Algorithmus FAST selbsteinstellend, sodass keine Einstellmaßnahmen für den korrekten Betrieb und die Propellersteuerung erforderlich sind. Zum Design gehört schließlich auch der 60 V Simple Switcher Gleichspannungswandler LMR16006 mit sehr geringer Ruhestromaufnahme, der für ein effizientes Management der Lithium-Polymer-Akkus (LiPo) der Drohne sorgt.

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