Les progrès réalisés dans les batteries, les piles à combustible solaires et à hydrogène conduisent à une endurance accrue et à une durabilité améliorée.
Wsi les drones deviennent des outils courants dans un large éventail d’industries, il reste encore des défis à relever pour empêcher la technologie d’atteindre son plein potentiel. L’un des plus gros ? Endurance.
La technologie de batterie actuelle ne permet qu’environ 20 à 30 minutes de temps de vol. Bien que cela puisse être suffisant pour certains cas d’utilisation, ce n’est pas le cas pour la plupart. C’est un point difficile qui limite les opérateurs commerciaux et militaires, et qui deviendra un obstacle encore plus important une fois que les vols BVLOS deviendront la norme.
Cela ne veut pas dire qu’il n’y a pas déjà eu de progrès. Les batteries ont certainement évolué au fil des ans, en particulier leur densité énergétique, et elles sont la source d’énergie de 95% des drones commerciaux, selon le cabinet de recherche et de conseil Fact.MR . Ils continueront à s’améliorer, avec de nouvelles chimies offrant éventuellement une meilleure densité d’énergie et des tensions plus élevées.
Bien sûr, les piles ne sont pas la seule option. Il y a beaucoup de travail en cours pour développer des solutions de charge avancées et des sources d’énergie alternatives, avec des piles à combustible à hydrogène et des configurations solaires / batteries. Ils ont tous leurs avantages et leurs inconvénients, mais l’objectif de toute solution d’alimentation est de fournir aux utilisateurs les systèmes les plus efficaces possibles. Cela leur permet à son tour de “diriger leurs opérations de manière peu coûteuse et de tirer tous les avantages de l’utilisation d’un drone”, a déclaré Jason Hardy-Smith, vice-président des produits pour Iris Automation, la société basée à San Francisco derrière le système Casia detect and avoid.
”La puissance permet ou limite tout ce que nous faisons », a déclaré Phil Robinson, directeur principal, technologies avancées, de Honeywell Aerospace, dont le siège social est à Los Angeles. « Nous pouvons avoir toutes les communications et le sens et éviter que nous ayons besoin de BVLOS, mais si nous n’avons pas assez de temps de vol pour amener le drone au-delà de la ligne de visée visuelle, peu importe. Nous avons besoin de cette puissance pour voler, communiquer et transporter nos charges utiles, et nous devons le faire de manière sûre et rentable.”
Un autre avantage de la recherche menée autour du pouvoir? De nombreuses avancées ont un impact positif sur l’environnement, que ce soit en réduisant le nombre de batteries nécessaires à une mission ou en diminuant les émissions provenant du drone. De grands progrès sont réalisés à la fois en matière de durabilité et d’endurance, améliorant l’efficacité des drones et rendant plus d’applications possibles.
BATTERIE
La montée de la batterie LiPo
Au début du développement des drones, les batteries étaient une réflexion après coup. Les fabricants s’appuyaient généralement sur de simples piles pour faire fonctionner le système et des connecteurs supplémentaires pour faire fonctionner la caméra, Fact.MR Le consultant principal en recherche Shambhu Nath Jha a expliqué. À mesure que la technologie de la batterie avançait et que les opérateurs indiquaient un besoin de plus de temps de vol, cela a changé. Il est devenu clair que les batteries de drones devraient avoir diverses caractéristiques, notamment des taux de décharge élevés et un rapport énergie / poids élevé.
La plupart des batteries utilisées pour alimenter les drones commerciaux sont au lithium-ion (Li-ion), le lithium polymère (LiPo) étant le plus populaire, a déclaré Jai.
Qu’est-ce qui rend ces batteries si attrayantes? Leur densité d’énergie élevée et leur rapport puissance / poids, a déclaré Jai. Et contrairement aux batteries Li-Ion, elles offrent une sécurité contre les explosions.
Pas une Solution Parfaite
Alors que les batteries LiPo ont plus d’options de protection de circuit disponibles, a déclaré Jai, elles sont toujours sujettes à une surcharge et à une décharge excessive, ce qui peut nuire aux performances du drone et même entraîner des incendies.
electroVolt, une entreprise de Rathdrum, dans l’Idaho, qui développe des batteries et des modules lithium-ion spécifiques à l’application, a résolu ce problème avec ses batteries au phosphate de lithium-fer PRISLogic (LiFePO4). Les cellules LiFePO4 sont moins sujettes à l’emballement thermique associé à la surcharge et au placage au lithium. La technologie de protection thermique exclusive de la société offre une autre couche de protection, améliorant la gestion thermique, fournissant une pression répartie sur la surface de l’électrode et réduisant la propagation du feu de cellule à cellule.
Les fabricants de batteries commencent également à consacrer plus de temps aux puces du système de gestion de batterie (BMS), a déclaré Matt Carlson, vice-président du développement commercial de WiBotic, une société basée à Seattle spécialisée dans les solutions de recharge sans fil. Ces systèmes permettent de s’assurer que les batteries sont correctement chargées, entre autres choses, réduisant à nouveau le risque d’incendie. Cela améliore la sécurité et prolonge la durée de vie de la batterie — un coup de pouce à la durabilité.
avenir
Il y a eu une augmentation constante de la densité d’énergie de la batterie au cours des 10 dernières années, a déclaré Jeff Taylor, fondateur de Event 38 Unmanned Systems, à Richfield, dans l’Ohio, avec de nouvelles chimies aidant à améliorer le temps de vol. Ces chimies ont changé ce qui est possible, et on s’attend à ce que cela s’améliore.
Au fil du temps, différentes variantes de LiPo ont été introduites, les batteries LiPo à base de nickel-manganèse-cobalt (NMC) étant l’option idéale pour les drones conçus pour effectuer de longues missions et les cellules Li-Po à base de LFP (Lithium Iron Phosphate) bien adaptées aux missions courtes, a déclaré Jai. Les batteries Li-air et Li-SOCl2, qui représentent “près de sept fois et deux fois plus de densité énergétique que les batteries LiPo”, émergent, mais le coût des intrants les empêche de vraiment décoller. Jai s’attend à ce que les batteries au lithium-soufre se portent bien à l’avenir en raison de leur coût réduit et de leur densité d’énergie relativement élevée.
”Les fabricants de batteries se concentrent sur l’amélioration de la chimie“, a déclaré Ben Waters, PDG de WiBotic, « peut-être en ajoutant du magnésium ou du cobalt, pour maximiser l’énergie que la batterie peut contenir et décharger.”
FACTURER
Sans Fil Plaquettes De Manière Fiable Prolonger La Vie De La Batterie
Garder les batteries chargées tout au long d’une mission est un autre défi de puissance auquel les opérateurs de drones sont confrontés. Pour le contourner, la plupart apportent des batteries supplémentaires sur le terrain, en échangeant les batteries au besoin — ce qui est souvent le cas. Non seulement cela pose un problème logistique, mais cela coûte également cher. La charge des batteries peut prendre des heures, et de nombreux drones en nécessitent plus d’un, les opérateurs doivent donc garder plusieurs batteries fraîches à portée de main pour les mener à bien dans des missions plus longues. Cela rend également difficile l’échelle, car l’ajout de plus de drones à la mission nécessite plus de batteries et plus de temps passé à les échanger.
Les stations de recharge sans fil répondent à ce point douloureux, avec le bloc d’alimentation WiBotic capable de charger un gros quadrirotor en moins d’une heure, a déclaré Waters.
De nombreuses batteries utilisées aujourd’hui n’ont pas l’intelligence de dire aux opérateurs combien de capacité leur reste—t-il, a déclaré Carlson, ce qui pourrait entraîner l’utilisation de plus de batteries que nécessaire – un problème de durabilité.
“Avec notre logiciel, vous pouvez suivre chaque cycle de charge pour chaque batterie et obtenir des informations sur les performances et l’acceptation de la charge de la batterie”, a déclaré Waters, précisant qu’il fournit également des mises à jour sur les emplacements de charge et la disponibilité. « Lorsque vous avez 20 batteries sur le terrain, il est facile de perdre de vue quelle est votre nouvelle batterie et laquelle a 150 cycles de charge. Ainsi, les gens jettent les piles avant qu’elles ne le devraient ou les utilisent plus longtemps qu’elles ne le devraient — ce qui pourrait entraîner un incendie ou la chute du drone du ciel.”
Les plaquettes régulent également le processus de charge, a déclaré Carlson, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie. Si un drone n’est nécessaire que pour un vol de 15 minutes, le pad peut le charger à 80%. Cela évite les dommages causés par une charge complète, limitant à nouveau la nécessité d’acheter de nouvelles batteries.
Charge Ultra-Rapide
Début 2021, la société israélienne StoreDot a démontré une charge ultra-rapide dans les drones — un exploit autrefois considéré comme impossible, a déclaré le PDG Doron Myersdorf. Avec cette technologie, la batterie reçoit une charge complète en 5 minutes. Comment ? En remplaçant le graphite, qui n’est pas conçu pour une charge rapide, dans la batterie lithium-ion par du silicium pour éliminer le risque d’explosion.
Avec ce processus, le drone entre de manière autonome dans une nacelle pour une charge et est prêt à se remettre au travail en quelques minutes, sans intervention humaine. Moins de batteries et de drones sont nécessaires pour mener à bien une mission, un autre clin d’œil à la durabilité.
Une Infrastructure Commune un Besoin
L’interopérabilité devient un thème de la charge, a déclaré Carlson, ce qui rend important que les stations de charge soient indépendantes de la batterie. Par exemple, un soldat peut avoir besoin de cinq drones différents, chacun avec sa propre batterie unique. Transporter cinq chargeurs de batterie n’est pas réalisable, ce qui rend essentiel pour les unités de partager une infrastructure commune telle que des pods de charge. La même chose pourrait être vraie pour un utilisateur commercial qui a besoin de capturer différents types de données à l’aide de différents drones.
”Si les drones pouvaient envoyer un message lorsqu’il leur reste 5 minutes de charge qu’ils recherchent des stations de recharge à proximité“, a déclaré Carlson, « et que l’infrastructure répond: « Je suis là, venez me charger », cela double la capacité de la flotte de drones, qu’il s’agisse de livraisons ou d’inspections de ponts.”
PILES À COMBUSTIBLE À HYDROGÈNE
L’Hydrogène Gagne de la Vapeur
Les piles à combustible à hydrogène commencent à attirer plus d’attention dans le monde des drones, et il est facile de comprendre pourquoi. Non seulement ils offrent une plus grande endurance que les batteries — offrant des durées de vol trois à cinq fois plus longues — ils sont également zéro émission, a déclaré Jonathan Douglas-Smith, directeur du développement commercial d’Intelligent Energy Aerospace, ce qui les rend plus respectueux de l’environnement que les petits moteurs à combustion également utilisés pour alimenter les drones.
Un autre avantage par rapport aux moteurs? Les piles à combustible nécessitent moins d’entretien, a déclaré Taylor de l’événement 38, qui a passé plus de 1 000 heures avant d’avoir besoin de révisions majeures. Un moteur à essence exige ce genre d’attention en aussi peu que 25 heures.
L’hydrogène est l’un des carburants les plus “denses en énergie de la planète”, ne pesant pratiquement rien, un avantage clé par rapport aux batteries, a déclaré Douglas-Smith. Ses cellules durent également plus longtemps que les batteries LiPo traditionnelles et ne prennent que quelques minutes pour faire le plein, plutôt que des heures pour se recharger. Cela réduit le temps passé sur le terrain et élimine la nécessité d’apporter un générateur.
L’approvisionnement en hydrogène, cependant, peut être difficile, a déclaré Douglas-Smith. Intelligent Energy travaille à développer un réseau de chaîne d’approvisionnement pour surmonter ce défi. Les partenaires du réseau livreront des bouteilles d’hydrogène dans les 72 heures suivant la commande, éliminant ainsi cette barrière.
Les gens ne sont pas non plus aussi à l’aise de travailler avec des bouteilles d’hydrogène qu’avec l’échange de batteries ou le remplissage d’un réservoir d’essence, a déclaré Robinson de Honeywell, une société qui a récemment introduit les technologies BVLOS UAS qui comportent des piles à combustible à hydrogène. Les cylindres étant trop lourds pour voler, l’hydrogène doit être transféré dans un réservoir de vol léger en fibre de carbone. Honeywell s’efforce de simplifier les choses grâce à un modèle d’échange de réservoirs, avec des réservoirs livrés aux opérateurs prêts à l’emploi.
Comment ça marche
Lorsque l’hydrogène est combiné avec de l’oxygène, il produit l’électricité qui alimente les DRONES, a déclaré Soonsuk (Fran) Roh, directeur du développement commercial pour les Amériques et l’Océanie chez Doosan Mobility Innovation (DMI), une société qui a créé un système de pile à combustible à hydrogène pour les drones. DMI s’est récemment associé à Iris Automation pour tirer parti de la technologie détecter et éviter Casia pour les vols BVLOS.
La solution de DMI ne repose cependant pas uniquement sur l’hydrogène. Il dispose d’une petite batterie LiPo qui prend en charge le système de pile à combustible, par exemple pour suivre un changement de charge soudain pendant le décollage ou lorsqu’il y a une rafale de vent. La batterie peut également entrer en jeu lors d’un atterrissage d’urgence.
L’énergie intelligente offre une configuration similaire.
”La batterie fournit une puissance de pointe au drone si nécessaire », a déclaré Douglas-Smith. « Une batterie a une densité de puissance spécifique élevée, alors qu’une pile à combustible a une faible densité de puissance spécifique. La combinaison des deux technologies nous donne le meilleur des deux mondes. La batterie sera toujours en mesure de fournir une source d’alimentation secondaire à l’UAV, offrant cette couche supplémentaire de redondance.”
Le Facteur de Durabilité
La production d’électricité à partir d’hydrogène est une réaction chimique, a déclaré Roh, il n’y a donc aucun processus combustible dans le système créant des émissions. Les drones propulsés à l’hydrogène ne brûlent pas d’essence ou de diesel comme les autres moteurs, ce qui leur donne un temps de vol prolongé sans polluer l’environnement.
L’hydrogène est “fondamentalement aussi vert qu’il vient” au point d’utilisation, a déclaré Douglas-Smith, l’eau étant son seul sous-produit. Le seul inconvénient environnemental est la façon dont l’hydrogène est créé. L’hydrogène le plus utilisé, connu sous le nom d’hydrogène gris, est fabriqué à partir de pétrole, a déclaré Robinson, et produit un “impact carbone considérable” lorsqu’il est produit. Honeywell travaille à développer ce que l’on appelle la production d’hydrogène bleu. Dans ce processus, l’hydrogène est extrait du gaz naturel “d’une manière qui se prête à la séquestration du carbone.”Le carbone est capturé au point de production et stocké.
L’objectif, cependant, est d’arriver à l’hydrogène vert, a déclaré Robinson, qui est créé par l’électrolyse de l’eau en utilisant l’énergie solaire et éolienne en excès — ce qui le rend complètement vert. L’énergie solaire ou éolienne divise l’eau en hydrogène et en oxygène, qui peuvent ensuite être mis en bouteille et utilisés.
“Il y a des entreprises qui se développent en ce moment et qui se développent dans la production d’hydrogène vert, mais cela nécessite d’investir dans des électrolyseurs”, a déclaré Douglas-Smith. “L’hydrogène gris peut être créé en utilisant l’infrastructure existante dans les usines de gaz naturel, il est donc plus facile et moins coûteux à créer car l’infrastructure existe déjà.”
Dans l’État de Washington, le PUD du comté de Douglas produit de l’hydrogène vert par électrolyse, a déclaré Jacob Leachman, professeur agrégé à la School of Mechanical & Materials Engineering de l’Université d’État de Washington. L’installation de l’électrolyseur était logique car elle “réduisait considérablement l’usure de leurs turbines de barrage. »Les coûts de maintenance réduits ont essentiellement payé l’ensemble de l’électrolyseur, et maintenant ils cherchent à étendre l’électrolyseur en raison de “la valeur de l’hydrogène par rapport à l’électricité.”
L’hydrogène réduit également l’utilisation de la batterie et son impact sur l’environnement. Une batterie de drone typique est jetée après 200 à 300 vols, et seulement 5% sont recyclés, a déclaré Robinson.
Application
Les drones à pile à combustible à hydrogène peuvent prendre diverses applications, de la patrouille frontalière à la sécurité maritime en passant par la surveillance de la faune, a déclaré Taylor. Ils offrent les temps de vol plus longs nécessaires pour accomplir ces missions ainsi que le fonctionnement plus silencieux qui n’est pas possible avec des moteurs combustibles.
Les clients d’énergie intelligente transportent de lourdes charges utiles comme des scanners LiDAR et radar pour les missions, a déclaré Douglas-Smith. Le gouvernement danois, par exemple, a mandaté l’entreprise pour piloter un scanner radar à pénétration de sol afin d’identifier la tourbe souterraine, qui est une source importante de CO2 émissions quand il est apparu pendant la récolte. Si les agriculteurs le savent à l’avance, ils peuvent traiter la terre pour éviter les émissions. Le projet nécessitera que le drone balaie 100 000 acres de terre transportant une charge utile pesant environ 7 kilogrammes, ce qui rend le temps de vol supplémentaire fourni par les piles à combustible à hydrogène critique.
Bientôt, Douglas-Smith voit les piles à combustible à hydrogène être utilisées dans des solutions de drone-in-a-box qui sont bénéfiques pour les inspections linéaires. Au lieu de charger les drones dans les boîtes, leurs bouteilles d’hydrogène seront automatiquement échangées, avec moins de boîtes devant être configurées car les drones peuvent voyager plus loin.
SOLAIRE
Profitez du soleil
Certains cas d’utilisation nécessitent des jours, voire des mois d’endurance, et les systèmes solaires / électriques peuvent le fournir.
L’équipe du Superwake de Toronto, par exemple, développe un sUAS qui a déjà démontré un temps d’endurance de 18 heures, a déclaré le cofondateur Travis Krebs. La prochaine fois qu’il vole, l’objectif est de le garder en l’air pendant 55 jours.
L’avion a une envergure de 3 mètres et pèse 13,5 kilogrammes. Il y a 4, 5 kilos de batteries stockées dans l’aile, qui peuvent alimenter l’avion pendant environ 10 heures, a déclaré Krebs. Le panneau solaire léger est connecté à un contrôleur de charge qui gère la répartition de l’énergie entre les batteries, les moteurs et l’avionique. Dans des conditions idéales, le panneau solaire peut puiser dans 300 watts. L’avion ne dépense que 100 à 120 watts pour rester en l’air, de sorte que les batteries se chargent rapidement. L’énergie solaire alimente l’avion pendant la journée et les batteries prennent le relais la nuit.
Il y a six paquets de batteries sur le SAMU, avec 15 cellules par paquet. Un circuit de surveillance de la batterie à bord de l’avion renvoie les tensions des cellules au sol afin que les utilisateurs connaissent toujours l’état de charge. Il surveille également les températures.
L’avion est conçu autour du réseau solaire, a déclaré Krebs, avec une aile maximisée pour s’adapter autant que possible à l’énergie solaire. Il vole également plus lentement que la plupart des drones et doit être correctement incliné pour que le soleil frappe réellement le réseau.
« Vous ne pouvez pas simplement placer des cellules solaires sur un drone et observer une endurance de plusieurs jours », a-t-il déclaré. « Cela se résume à la conception de l’avion, à la façon dont il vole et au poids qu’il transporte. Vous avez besoin d’une conception d’avion spécialement conçue pour transporter de l’énergie solaire.”
Le Niveau Suivant
Les avions de longue endurance à haute altitude (HALE) comme le PHASA-35, développé à partir d’une collaboration entre BAE Systems et la PME technologique britannique Prismatic Ltd, poussent l’endurance encore plus loin, offrant des flâneries persistantes sur un seul site pendant des mois.
Le PHASA-35 est conçu pour rester dans la stratosphère, à environ 60 000 pieds, là où la météo n’est pas une préoccupation et où le système est alimenté par le soleil, ce qui en fait une option durable, a déclaré Phil Varty, responsable du développement commercial. Et au lieu de devoir revenir chercher du carburant tous les quelques jours comme les autres systèmes, il est ravitaillé par le soleil et des batteries rechargeables.
L’avion léger, qui ressemble à un planeur, est fabriqué en composite de fibre de carbone et a une envergure de 35 mètres. Des milliers de batteries de type téléphone portable sont assemblées en petits groupes dans les nacelles du moteur. Cela minimise le besoin de fils pour connecter les batteries, créant le moins de masse possible, a déclaré Varty, ce qui est essentiel pour un système qui vise à rester en vol pendant des mois.
Et bien sûr, les batteries doivent être fiables, donc plutôt que de s’appuyer sur les dernières technologies qui ne sont pas encore complètement comprises, l’équipe PHASA-35 a opté pour des batteries matures disponibles en grande quantité. Les cellules solaires utilisées pour charger les batteries, en revanche, sont haut de gamme. Il est essentiel que l’avion obtienne la plus grande énergie solaire possible, et c’est ce que ceux-ci fournissent.
Applications Axées Sur L’Environnement
En termes de durabilité, les avions à énergie solaire ne dégagent pas d’émissions de gaz à effet de serre, y compris dans le processus de fabrication, a déclaré Krebs. Et Varty a noté que parce qu’ils restent en l’air pendant de longues périodes, cela évite la nécessité de créer une infrastructure au sol importante nécessaire pour le ravitaillement en carburant ou pour faire face aux problèmes de maintenance.
Il y a aussi un autre avantage environnemental, bien qu’indirect. Les avions de longue endurance peuvent effectuer des missions écologiques et axées sur la conservation que les autres UAS ne peuvent pas effectuer.
Par exemple, a déclaré Krebs, de tels avions peuvent être utilisés pour identifier et détecter précocement les incendies de forêt, les empêchant d’émettre du CO2 dans l’atmosphère.
“Le système nous donne la possibilité de regarder quelque chose minute par minute et de prédire ce qui se passera pour des choses comme le contrôle de la pollution et les incendies de forêt”, a déclaré Varty. » Vous pouvez ensuite placer les personnes et les ressources là où elles doivent être au bon moment.”
Aller De L’Avant
Bien que le défi de la puissance ne disparaisse pas de sitôt, de nombreuses recherches et le développement de produits sont en cours pour y remédier. Les options ne feront que croître à mesure que nous entrerons dans la prochaine phase de drone commercial, qui comprendra des vols de routine BVLOS. La durabilité continuera également d’être au centre des préoccupations, avec des solutions plus écologiques visant à réduire les problèmes tels que les émissions de combustibles fossiles et l’élimination inadéquate des batteries.
”Lorsque de nouvelles technologies sortent, il y a toujours une hâte de les déployer; peu de temps après, il y a ce besoin de les optimiser », a déclaré Waters de WiBotic. « Nous arrivons sur la nécessité d’optimiser. Ce que les gens font avec les drones offre une valeur énorme, mais maintenant que nous utilisons régulièrement la technologie, nous devons trouver des moyens d’économiser de l’argent et de le faire plus efficacement.”
