Как рассчитать потребности в энергии для зарядного узла для тяжелых дронов

Тяжелые дроны переходят от демонстрационных проектов к настоящей промышленной работе.Они могут перевозить инструменты, материалы, датчики, предметы первой необходимости и другие полезные грузы по строительным площадкам, шахтам, коммуникациям и удаленным логистическим маршрутам. Однако самолет – это только половина операционной системы. Другая половина — это энергетическая инфраструктура на местах.

Для руководителя проекта практическая проблема обычно возникает в самый неподходящий момент: несколько самолетов возвращаются в одно и то же рабочее окно, уровень заряда батареи ниже запланированного, местная сеть не может выдержать объединенную зарядную нагрузку, а следующая миссия не может ждать. В этой ситуации узким местом больше не являются возможности дронов. Это доступность энергии.

Вот почему определение размера зарядного узла для тяжелых дронов следует начинать с эксплуатации, а не с паспортной таблички зарядного устройства.Покупателю необходимо знать, сколько киловатт-часов (кВтч) парк автомобилей потребляет каждый день, сколько киловатт (кВт) требуется в периоды пиковой зарядки, сколько необходимо резервной энергии и как быстро может быть пополнен сам источник энергии.

Для удаленных и временных проектовМобильное зарядное устройство для электромобилейсо встроенным накопителем энергии также может стать частью более широкой архитектуры мобильной энергетики. Door Energy разрабатывает мобильные системы накопления энергии для спасательных служб на дорогах, коммерческого транспорта и промышленных энергетических установок. В хабе дронов та же энергетическая платформа может рассматриваться как восходящий источник энергии, в то время как для аккумуляторов дронов по-прежнему используются зарядные устройства и интерфейсы, одобренные OEM.

Отраслевой контекст: исследования НАСА по электрифицированной авиационной инфраструктуре показали, что неограниченное внедрение самолетов с аккумуляторными батареями может увеличить пиковую потребность аэропорта в электроэнергии примерно на порядок, а общую потребность в электроэнергии примерно в два-четыре раза в смоделированных сценариях. Это не прямой прогноз для тяжелых дронов, но он показывает, почему электрификация авиации может создать концентрированный спрос на электроэнергию.Технический меморандум НАСА

I. Почему зарядка тяжелых дронов становится узким местом в энергетике

Реальным ограничением часто является окно зарядки, а не размер батареи.

На бумаге автопарк может иметь достаточную емкость аккумулятора, но при этом все равно испытывать задержки в работе. Причина во времени. Если восемь самолетов вернутся в течение трех часов, потребность в зарядке может быть распределена. Если четыре или шесть вернутся в течение одного и того же 30-минутного окна, концентратору может потребоваться в несколько раз больше мгновенной мощности, даже если ежедневное потребление энергии не изменилось.

Это различие имеет значение, поскольку проекты промышленных дронов обычно оцениваются по завершению миссии, а не по использованию зарядного устройства. Строительной бригаде может потребоваться подъемная операция перед заливкой бетона. Подрядчику коммунальных услуг может потребоваться провести проверку до изменения погоды. Аварийной команде может потребоваться немедленно вернуть самолет в воздух. Когда зарядка становится очередью, энергетическая система начинает контролировать производительность всего парка дронов.

Пять операционных проблем, которые покупатели должны решить, прежде чем выбирать оборудование

По этой причине правильным вопросом будет не просто «Насколько велика батарея дрона?» Лучший вопрос: «Сколько полезной энергии должно быть доставлено и в течение каких временных интервалов скольким самолетам, в то время как остальная часть объекта также работает?»

Почему мобильная энергетика становится актуальной

Фиксированное подключение к сети остается лучшим вариантом для многих постоянных и предсказуемых объектов. Однако проекты с временным спросом, слабым доступом к сети, изменением рабочих зон или чрезвычайными требованиями могут извлечь выгоду из мобильного энергетического буфера. Door Energy позиционирует своюпортфолио мобильных зарядокименно для тех ситуаций, когда энергия должна перемещаться ближе к нагрузке, а не ждать, пока будет построена постоянная инфраструктура.

Важно отметить, что это не означает, что мобильная система должна заменить каждое стационарное зарядное устройство. Профессиональный проект должен использовать наименее затратное сочетание электроэнергии из сети, локального хранилища, мобильной энергии и планирования нагрузки, которое может обеспечить требуемый уровень обслуживания.

II. Какие данные вам нужны перед расчетом концентратора для зарядки дронов?

Начните с данных о миссии, а не с маркетинговых спецификаций

Прежде чем запрашивать расценки на любую систему накопления энергии или зарядки, эксплуатанту следует собрать минимальный набор данных из реальных планов полета или из консервативного сценария эксплуатации. Этот шаг часто экономит больше денег, чем выбор зарядного устройства большего размера «на всякий случай», поскольку он отделяет фактическое потребление энергии от предполагаемого спроса.

Все числовые значения в таблицах выше являются техническими иллюстрациями, если они явно не указаны как характеристики продукта Door Energy. Оператор должен заменить их фактическими данными OEM-производителя дрона, зарядным устройством и данными о месте эксплуатации.

Не путайте номинальную емкость аккумулятора с энергией перезарядки.

Аккумулятору емкостью 28 кВтч не обязательно требуется 28 кВтч после каждого полета. Если самолет приземляется с уровнем заряда 20% и снова отправляется в полет с уровнем заряда 90%, аккумулятору необходимо восстановить только 70% своей номинальной емкости, прежде чем будут учитываться потери эффективности.

Энергия пополнения за цикл:28 кВтч × (0,90 − 0,20)= 19,6 кВтч доставлено в батарею

Эта простая корректировка может существенно изменить размер системы. За 48 циклов зарядки в день использование полной паспортной мощности 28 кВтч означает, что в аккумуляторы будет передано 1344 кВтч. Использование фактического рабочего окна от 20% до 90% дает 940,8 кВтч. Разница составляет 403,2 кВтч в день без учета потерь на зарядку.

Отслеживайте переменные, которые меняются в реальных операциях

Полезная модель определения размера не должна предполагать, что все полеты идентичны. Полезная нагрузка, ветер, длина маршрута, температура, время висения и изменения миссии могут изменить SOC при посадке. Старение батареи и температурные ограничения также могут повлиять на прием заряда. Следовательно, проектные группы должны регистрировать фактическое SOC прибытия и время выполнения работ во время пилотных операций, а затем обновлять энергетическую модель, используя распределение, а не одно идеальное значение.

Тот же принцип применим и к безопасности. Федеральное управление гражданской авиации США отмечает, что литиевые батареи, используемые в дронах, могут быть отнесены к опасным грузам. Таким образом, крупные промышленные центры нуждаются в обращении с батареями, их хранении, проверке, терморегулировании и аварийных процедурах в дополнение к электрическим размерам.

Ссылка на безопасность:ФАУ БПЛА / Операции с дронами Ресурсы по литиевым батареям FAA

III. Как рассчитать ежедневную энергию и пиковую мощность зарядки

Шаг 1. Рассчитайте энергию, подаваемую в аккумуляторы дронов.

Предположим, что в удаленном проекте задействовано восемь тяжелых дронов. Каждый самолет использует батарею емкостью 28 кВтч, обычно возвращается с уровнем заряда 20%, перезаряжается до 90% и выполняет шесть боевых вылетов в день. Первый расчет прост.

Циклов зарядки в день:8 самолетов × 6 боевых вылетов= 48 циклов/день

Энергия батареи за цикл:28 кВтч × 70%= 19,6 кВтч/цикл

Ежедневная энергия, поступающая в батареи:48 × 19,6 кВтч= 940,8 кВтч/день

На этом этапе число представляет собой энергию, достигающую батарей. Он еще не включает потери преобразования или энергию, потребляемую остальной частью зарядного узла.

Шаг 2. Включите потери при зарядке и преобразовании.

На каждом пути реальной власти есть потери. В зависимости от архитектуры они могут возникать в инверторе, зарядном устройстве переменного/постоянного тока, преобразователе постоянного/постоянного тока, кабеле, системе терморегулирования и самой батарее. Для предварительного расчета предположим, что эффективность сквозной зарядки составляет 92%. Это иллюстративное предположение при планировании, а не гарантия энергоэффективности дверей.

Источник энергии для зарядки дрона:940,8 кВтч ÷ 0,92= 1022,6 кВтч/день

Если фактическая эффективность системы ниже, источник должен обеспечивать больше энергии. Следовательно, после выбора конкретного оборудования предварительное предположение следует заменить измеренными или указанными производителем данными эффективности во всем ожидаемом диапазоне нагрузок.

Шаг 3. Добавьте вспомогательные нагрузки.

Центр дронов потребляет энергию, даже когда ни один самолет не заряжается. Компьютеры миссии, радиооборудование, охлаждение аккумуляторов, системы безопасности, освещение объектов, временные офисы, инструменты для технического обслуживания и система отопления, вентиляции и кондиционирования могут работать в течение многих часов. В удаленном промышленном проекте водяные насосы или другое электрооборудование могут увеличить нагрузку.

Энергия концентратора до резерва:1022,6 кВтч + 60 кВтч= 1082,6 кВтч/день

Door Energy уже разрабатывает мобильные системы хранения энергии для смешанных промышленных нагрузок.В материалах по применению описывается поддержка электропитания переменного тока для такого оборудования, как электрические экскаваторы, водяные насосы и освещение. Это делает планирование смешанной нагрузки особенно актуальным, когда центр дронов расположен внутри обширной строительной или открытой промышленной площадки. См. Door Energy'sМобильное приложение для электроснабжения на строительной площадкедля связанных случаев использования.

Шаг 4. Добавьте резервную маржу

Проектирование в точном соответствии со средними требованиями не оставляет места плохой погоде, более длинным маршрутам, неожиданным миссиям, временным отключениям электросети или SOC при посадке ниже запланированного. Поэтому резервный запас следует выбирать в соответствии с эксплуатационной критичностью, а не копировать из общего правила.

В этом примере резерв планирования в размере 15 % дает:

Расчетное энергопотребление:1082,6 кВтч × 1,15= примерно 1245 кВтч/день

Для реагирования на стихийные бедствия или других критически важных задач может быть оправдан больший резерв. Для постоянного объекта с хорошим подключением и надежной поддержкой сети меньший резерв на объекте может быть экономичным. Правильное число зависит от стоимости пропущенной миссии по сравнению со стоимостью дополнительного хранилища.

Шаг 5. Рассчитайте мощность, необходимую для поражения разворотной цели.

Энергоемкость отвечает на вопрос «Сколько электроэнергии требуется?» Пауэр отвечает: «Как быстро это должно быть доставлено?» Если одному самолету необходимо восстановить 19,6 кВтч, а целевое окно зарядки составляет 45 минут, то теоретическая средняя мощность на стороне аккумулятора составит около 26,1 кВт. После применения того же иллюстративного КПД 92% потребность на стороне источника составит около 28,4 кВт на активный канал зарядки.

Мощность зарядки на стороне источника на самолет:19,6 кВтч ÷ 0,75 ч ÷ 0,92= примерно 28,4 кВт

*Иллюстративные арифметические расчеты основаны на восстановлении 19,6 кВтч за цикл и сквозном КПД 92%. Фактическая скорость зарядки никогда не должна превышать пределы зарядного устройства, утвержденного для аккумулятора дрона, BMS или OEM-производителя.

Теперь добавьте мгновенную вспомогательную нагрузку мощностью 12 кВт. При зарядке четырех самолетов на 45-минутной цели общая потребность объекта составит около 125,6 кВт. При шести активных активных каналах общая мощность составит около 182,4 кВт. Ежедневный объем кВтч не изменился; изменилась только концентрация спроса.

Превратите расчет в кривую спроса в зависимости от времени суток

Эта таблица часто раскрывает реальную экономическую целесообразность хранения данных. Проекту может не потребоваться 185 кВт в течение всего дня; ему может потребоваться дополнительная мощность только во время двухчасового пика. В таких случаях мобильный или стационарный энергетический буфер может быть более целенаправленным, чем модернизация постоянной инфраструктуры исключительно для короткого периода пиковой нагрузки.

IV. Что происходит, когда зарядный концентратор слишком мал?

Небольшой концентратор не просто заряжается медленнее, он снижает загрузку автопарка.

Для промышленных потребителей основными издержками плохого энергетического проектирования зачастую является не электричество. Это время простоя. Если воздушному судну приходится ждать доступного зарядного устройства или восстановления электропитания на объекте, парк выполняет меньше миссий за смену. Это может задержать работу, которая зависит от этих миссий.

Рассмотрим упрощенную иллюстрацию работы. Предположим, нормальный цикл состоит из 45 минут полета и обслуживания плюс 45 минут зарядки. Если недостаточная мощность увеличивает период ожидания и зарядки до 90 минут, общая продолжительность цикла увеличивается с 90 до 135 минут. За восьмичасовой рабочий период теоретическое количество полных циклов может существенно снизиться.

Это эксплуатационная иллюстрация, а не заявление о характеристиках какой-либо конкретной модели дрона. Фактическая продолжительность вылета, время обслуживания и разрешенный профиль зарядки должны быть предоставлены эксплуатантом воздушного судна.

Семь ошибок при выборе размера, которые создают больше всего проблем

Изменения погоды, полезной нагрузки и маршрута делают средние данные опасными

Операции по доставке тяжелых грузов особенно чувствительны к условиям миссии. Дополнительная полезная нагрузка может увеличить потребление энергии. Сильные ветры могут изменить исходящее и обратное потребление. Горячие или холодные состояния аккумулятора могут изменить стратегию зарядки. Объезд запретной зоны может снизить SOC при посадке. Между тем, вне обычного расписания может появиться экстренная задача. Эти факторы объясняют, почему дизайн, основанный исключительно на обычном дне, может быть хрупким.

Лучше всего смоделировать как минимум три случая: обычный день, день высокого спроса и день непредвиденных обстоятельств. Если система выдерживает только обычный случай, покупатель должен точно знать, какие эксплуатационные ограничения будут применены в двух других случаях.

Скорость перезарядки источника энергии является частью емкости системы.

Одна из переменных, которую легче всего упустить из виду, — это то, насколько быстро может восстановиться сам источник накопления энергии. Мобильная система, которую можно пополнять во время обеденного перерыва, смены или ночного окна, может поддерживать гораздо большую ежедневную пропускную способность, чем та же емкость хранилища с медленным пополнением.

Door Energy заявляет, что ее мобильные зарядные системы можно зарядить примерно за один час от подходящего источника зарядки постоянного тока или примерно за два часа от источника переменного тока, в зависимости от конфигурации и условий на месте.Это создает операционную модель, основанную на повторяющихся энергетических циклах, а не на одной большой батарее, используемой только один раз:развертывание → операции поддержки → перезарядка → передислокация.

V. Как зарядное устройство для электромобилей Door Energy Mobile поддерживает удаленное управление дроном

Используйте систему в качестве мобильного энергетического узла, а не в качестве прямого зарядного устройства для дронов.

Это различие существенно. Оборудование Door Energy предназначено в первую очередь для быстрой зарядки электромобилей и промышленных мобильных устройств. В дронах-тяжеловесах обычно используются аккумуляторные блоки, предназначенные для конкретных самолетов, логика BMS, разъемы и профили зарядки. Таким образом, систему Door Energy не следует описывать как передающую 420 кВт непосредственно в батарею дрона, если только производитель самолета явно не поддерживает такую ​​архитектуру.

В хабе дронов технически более правильная архитектура такова:Мобильное хранилище энергии Door Energy → распределение/преобразование энергии на объекте → одобренное OEM-производителем зарядное устройство для дрона → аккумулятор для дрона. Благодаря этому интерфейс зарядки самолета соответствует требованиям производителя дронов, в то же время позволяя входному источнику энергии быть мобильным и мощным.

Почему Door Energy имеет отношение к этому варианту использования

Door Energy разрабатывает и производит мобильные системы зарядки электромобилей и накопителей энергии для коммерческого и промышленного применения. компаниивеб-сайтиПрофиль компанииопишите научно-исследовательский и производственный бизнес, обслуживающий глобальные проекты зарядки и мобильной энергетики. Для оператора дронов это важно, поскольку проект заключается не просто в покупке аккумулятора. Он согласовывает требования к хранению энергии, преобразованию энергии, выходным сигналам, коммуникациям, управлению температурным режимом и обслуживанию на местах в соответствии с рабочим циклом.

Ценностное предложение становится более ясным, когда оно напрямую соотносится с операционной проблемой клиента.

420 кВт — это возможности платформы, а не заявленная скорость зарядки аккумулятора дрона.

Энергия одной двериКонфигурация мобильного зарядного устройства для электромобилей мощностью 420 кВтчуказан аккумулятор емкостью 420 кВтч, комбинированная мощность зарядки электромобилей до 420 кВт на четыре пушки, поддержка CCS1/CCS2 и OCPP 1.6J. На странице также указан выход переменного тока для промышленных нагрузок. Эти характеристики показывают масштаб энергетической платформы; они не отменяют пределы зарядки аккумулятора дрона.

Это разъяснение фактически усиливает экономическое обоснование. Мощная мобильная платформа может служить общим восходящим ресурсом. Вместо того, чтобы выделять всю мощность одному самолету, оператор может распределять мощность по нескольким совместимым каналам зарядки, вспомогательному оборудованию или будущим нагрузкам в пределах выбранной конфигурации и системы распределения на площадке.

CCS1, CCS2 и OCPP по-прежнему имеют значение — даже если дрон использует другой разъем

Door Energy поддерживает CCS1 и CCS2 в своих приложениях для зарядки электромобилей и использует связь OCPP в совместимых продуктах. Тяжелый дрон не может использовать эти разъемы EV. Тем не менее, стандарты показывают, что мобильная платформа предназначена для работы в более широких средах зарядки и управления энергопотреблением, а не как изолированный аккумуляторный блок.

Для смешанного автопарка или промышленной площадки это может быть полезно. Один и тот же мобильный энергетический актив может поддерживать спасательные электромобили, коммерческие транспортные средства или другое совместимое электрооборудование, а также выступать в качестве источника для зарядного узла дронов посредством подходящего распределения энергии и одобренного конверсионного оборудования.

Мобильная энергетика наиболее ценна там, где фиксированная инфраструктура наименее предсказуема.

Для связанных приложений Door Energy публикует дополнительныеруководство по определению параметров мобильной энергетикиистатьи о мобильных приложениях питаниякоторые объясняют, как емкость хранилища, выходная мощность и стратегия пополнения должны соответствовать рабочему циклу, а не выбираться из одной основной спецификации.

VI. Заключение: как правильно подобрать систему перед покупкой

Используйте четырехуровневую модель принятия решений

Хорошо спроектированный зарядный узел для тяжелых дронов должен состоять из четырех слоев. Во-первых, рассчитайте пропускную способность энергии в кВтч из окон реального аккумулятора SOC и ежедневных вылетов. Во-вторых, рассчитайте пиковую мощность в кВт, исходя из целевого показателя оборота и количества одновременных каналов зарядки. В-третьих, повысить устойчивость за счет резервной энергии, стратегии пополнения запасов и сценариев непредвиденных обстоятельств. Наконец, выберите сочетание инфраструктуры: фиксированная сеть, стационар