Como decolar com baterias ou um pouco de teoria do paramotor elétrico. Parte 1

1. Introdução

Olá. Meu nome é Ilya. Eu sou de São Petersburgo. Eu tenho 31 anos Durante muito tempo, tive os principais hobbies - baterias, veículos elétricos e aviação.

Em 2010, aprendi sobre a maneira mais democrática de encontrar asas pessoais:



Parapente com motor, paramotor, parapente motorizado. O representante mais leve e mais lento da aviação ultraleve.

Isso é realmente uma coisa incrível! Uma verdadeira máquina voadora pessoal de filmes sobre o futuro, que possibilitou realizar o sonho da humanidade de voar como um pássaro!

Consiste em uma asa macia adquirida separadamente - um parapente e uma usina - uma mochila com um motor e um parafuso, usados ​​nas costas. Você pode voar em altitudes de zero a 5000 metros, com velocidades de 35 a 75 km / h. Existem versões com rodas e um segundo assento de passageiro - paratrikes.

Essa coisa toda decola direto do chão. Não é necessário "pular da colina". Tudo o que é necessário é uma clareira rolada e uniforme, em um raio de 200 a 300 metros, para que não haja árvores, fios, postes, casas e outras coisas. Na Internet, para a consulta “decolagem de paramotor” existem muitos vídeos sobre esse assunto. Sim, você deve observar rigorosamente as restrições às condições climáticas e o Código Aéreo da Federação Russa é uma quantidade significativa separada de conhecimentos necessários para o estudo. Além disso, o tópico para outra conversa é dominar os voos sobre esse assunto - como regra, leva cerca de 3 meses com um instrutor experiente.

No período de 2011 a 2016, eu estava voando ativamente centenas de horas e milhares de quilômetros de rotas na fábrica com o motor de combustão interna Moster-185:



Breve informação sobre ele.

Motor a gasolina a dois tempos, monocilíndrico, 185 cc Potência máxima 25 hp (18 kW), rotação máxima no virabrequim - 8300 rpm, rotação máxima no parafuso com diâmetro de 125 cm - 2950 rpm, tração estática máxima - 70 kg, consumo de combustível em voo reto sem um conjunto - cerca de 3-4 litros / hora. Peso paramotor - 25 kg.

Voou incrivelmente no paramotor Moster-185. Poderoso, confiável, arrancou o chão em poucos passos com um pequeno vento de frente. Foi possível voar em um tanque por três horas sem parar, o que a uma velocidade de asa de 40 km / h dava mais de cem quilômetros de “corrida”.

No entanto, havia desvantagens:

• requisitos para reabastecimento com gasolina de 95 m de alta qualidade e óleo sintético caro;
• barulho, vibrações de dois tempos;
• o cheiro, as constantes alegações dos vizinhos do apartamento de que "fede, você está envenenando a todos nós" (sim, eu mantive o paramotor no apartamento, e até o alugado, com vizinhos em outros quartos);
• a necessidade de realizar manutenção frequente é substituir as molas que se desgastam de vibrações, blocos silenciosos, juntas, inspecionar porcas, soldas e um monte de tudo antes de cada voo.

Paralelamente, já havia uma prática estabelecida de andar de bicicleta elétrica de várias dezenas de milhares de quilômetros e muitas baterias de íon de lítio montadas para veículos elétricos com rodas.



Em algum momento, a ideia de combinar o mundo da eletricidade e o mundo da aviação como um todo se tornou muito obsessiva.

Ele estava muito interessado no princípio de "decolar com baterias", além de experimentar o dispositivo, que deveria:

• ter um nível de ruído reduzido;
• garantir a ausência de agitação e vibração;
• Não precisa de combustível e consumíveis;
• Não exija inspeções e manutenção contínuas.

A primeira coisa que comecei foi com a teoria da aviação para entender se valia a pena se envolver nesse tópico.

Eu gostaria de repetir os cálculos teóricos que fiz há 6 anos novamente, mas já na presença de leitores interessados.

2. Cálculo da potência necessária para o vôo horizontal. Modo de decolagem

A primeira coisa a entender é que, por toda a aparente semelhança com um parapente ou mesmo um balão inflável (ouvi essas associações), o parapente é uma asa com o perfil aerodinâmico mais típico das asas. Como um avião voa e como um parapente voa tem muito em comum. Tanto o avião quanto o parapente - para criar sustentação e manter-se no ar - é necessário avançar constantemente pelo ar. E para percorrer o meio - você precisa de um motor que supere sua resistência (nesse ambiente).

Qualquer aeronave baseada em asas - tem um indicador como "qualidade aerodinâmica". Este é um indicador da perfeição aerodinâmica da aeronave, uma espécie de análogo de sua "eficiência" (podem ser que técnicos severos me perdoem por uma comparação tão frívola). Quanto maior o AK - menor a porcentagem de impulso do peso necessário para manter o dispositivo no ar para que ele não perca altura. Se o motor estiver desligado e não der tração - a aeronave diminuirá lentamente - planeje. E aqui AK mostra a proporção de velocidades horizontal e vertical.

Voando em um motor a gasolina, medi em vários vôos minha velocidade e a taxa de declínio com o motor desligado.

Os valores foram os seguintes: velocidade de 10,3 m / s (medida por GPS em calma), velocidade de descida de 1,5 m / s (medida por um variômetro de parapente Brauninger IQ One).

AK obtido experimentalmente = 6,8



Não foi difícil calcular o peso de decolagem adicionando o peso do meu corpo, asa e instalação - cerca de 127 kg e, se uma definição estrita de peso -, cerca de 1250 Newton.

Divida o peso por AK - 1250 / 6,8 = 183 N de tração necessária.

Agora, precisamos ir de alguma forma da magnitude do impulso necessário à potência mecânica no eixo da hélice. E aqui as linhas de fórmulas devem ir.

Felizmente, porém, existe um programa maravilhoso de hélice, testado por modeladores de aeronaves (e paramotoristas). Substituímos os dados de nossos parafusos, o número de pás, velocidade e voila:



A potência mecânica que deve ser trazida para a hélice era de cerca de 3300 watts.

O circuito do paramotor elétrico é simples: bateria, controlador BLDC, motor sem escova.

É necessário ter a eficiência de cada link:

• bateria, fios 97% (resistência interna);
• Controlador de 99%
• motor 87%.

Eficiência total: 83,5% (deve-se dizer aqui que a eficiência depende da energia necessária, portanto, da maneira correta, preciso fazer algumas iterações. Mas como já conheço o resultado e não quero prolongar o artigo, omitirei conscientemente alguns pontos).

3300 W / 0,835 = 3950W.

Quase 4 kW de consumo contínuo de energia. Vamos parar por um momento e pensar. O que é 4 kW? Isso é muito bonito!

• este é um apartamento no qual eles incluem chaleira, aspirador, computador, luzes e máquina de lavar;
• é uma oportunidade de andar de bicicleta elétrica a uma velocidade de 70 km / h;
• é tanto quanto 72A a uma tensão de 55V.

Mas isso não é tudo. De alguma forma, precisamos nos afastar do planeta e começar a ganhar altura inicial. 4 kW, podemos compensar apenas a redução de 1,5 m / s do próprio parapente, e se queremos ganhar mais 1,5 m / s de altura, precisamos de mais 4 kW. E ainda mais. Se você jogar com o programa Selector de hélices, poderá ver que quanto mais energia bombearmos na hélice, pior será sua eficiência:



(Os amadores de modelagem de aeronaves geralmente têm versões pelas quais a eficiência da hélice diminui com o aumento da velocidade. E de alguma forma eles não conseguiam ouvir a versão correta. Todo mundo peca com a imperfeição da geometria da hélice, com a turbulência, mas o assunto está nas leis fundamentais da física. Se a velocidade da lâmina aumentar linearmente, seu impulso cresce quadraticamente e o consumo de energia para superar a resistência do ar cresce cubicamente.Em palavras simples, quanto mais rápido giramos a hélice, mais energia entra em aceleração do ar e menos energia é aplicada a nós, pois a velocidade do ar não pode aumentar devido às especificidades da operação do parapente, aqui você precisa adicionar informações para quem não voou no paramotor - o parapente voa quase na mesma velocidade, independentemente de o motor estar funcionando ou não. A velocidade não depende do gás. também um tópico separado para conversa).

O programa mostrou 8,36 / 0,835 = 10 kW de energia elétrica consumida na decolagem.
Traduzido para cavalos - é cerca de 14 hp. Este valor é perfeitamente consistente com a potência máxima dos motores mais leves do motor. Você não pode fazer menos - você não decola.
Com uma voltagem de 55V, começa a falar sobre a coleta de corrente de uma bateria de mais de 200A.

3. Como estão nossas baterias ou uma fonte de energia compacta de 10 kW?

Desde o início, eu não queria mexer com as baterias de aeronaves modelo de polímero de lítio. Sabia-se que eles puxariam tal carga. Mas eu não gostei das histórias sobre o inchaço, as explosões; havia alguns rumores estranhos de que eram suficientes para apenas 50 ciclos de descarga.

Naquela época, a cultura vape e a prática do uso em massa de elementos 18650 para cenários muito carregados começaram a se desenvolver.

Ao contrário das células de notebook, a nova geração não usava a química do cobalto, mas a NMC - níquel-manganês-cobalto, que fornecia grandes correntes de pico de descarga, uma grande capacidade específica, um preço mais baixo ano após ano e uma pequena redução no número de ciclos de descarga como pagamento. comparado ao LiCoO2 (de 1000 a 500).

Desde o início, gostei do formato 18650 - um corpo de aço, uma válvula de emergência para aliviar a pressão, a conveniência da solda / soldagem, a capacidade de definir o formato desejado da bateria.



Confundiram apenas as inscrições declaradas nas folhas de dados no 18650 de alta corrente: "15A", "20A".

A intuição sugeriu que, em uma montagem não refrigerada, onde muitas células se aquecem lado a lado, a coleção máxima de corrente será muito menor.

Foi necessária uma técnica clara para avaliar a capacidade de remover grandes correntes contínuas de uma bateria compacta.

A ideia era simples: a bateria tem resistência interna. Ela também tem uma capacidade de aquecimento. Conhecendo a corrente removida - você pode calcular a energia que é perdida dentro da bateria para auto-aquecimento. Conhecendo o tempo - você pode estimar o aumento da temperatura em graus de toda a bateria através da energia e capacidade de calor.

Após realizar uma série de experimentos com conjuntos de baterias alimentadas por bateria, a capacidade de calor experimental do material a partir do qual as células de íons de lítio foram feitas é de 0,25 Wh / kg-grau (a propósito, isso quase coincidiu com os dados de portais de transporte elétrico estrangeiros - “795 J / kg * K Capacidade de calor específica para íons de lítio (0,22 Wh / kgxC) ”).

Cláusula 3.1. Tempo estimado de vôo

Nos paramotores com motores de combustão interna por duas ou três horas, ficar no ar não é o limite. Às vezes, os vôos precisavam ser interrompidos devido à fadiga física e não à exaustão das reservas de combustível.

Com baterias, esse truque não vai funcionar.

No entanto, eu queria obter o tempo máximo gasto no ar com uma carga.

O peso máximo da unidade com a qual ainda é confortável de operar é de 30 kg.
Dos 30 kg - 7 kg vão para o motor BLDC + parafuso, 1 kg de fio + controlador, 10 kg - sistema de suspensão + armação de metal.
Restam 12 kg de peso sob a bateria.
As células LG - HG2 foram selecionadas como combinando a resistência interna mínima e a capacidade máxima para o formato 18650:



Sua densidade de energia é de cerca de 0,22 kWh / kg.
A reserva total de energia é de 12 kg / (0,22 kWh / kg) = 2,6 kWh (240 células).
Spoiler



Calculamos o tempo de vôo horizontal sem levar em consideração o pico de corrente na decolagem:
2,6 / 4 = 0,65 horas ou 39 minutos.

Cláusula 3.2. Classificação de aquecimento da bateria

Deve-se notar imediatamente que a bateria não forneceu inicialmente um resfriamento forçado.

1. Isso levaria a um aumento na complexidade da montagem e ao atraso dos primeiros voos por um período indeterminado.
2. Nossa equipe de especialistas não tinha uma pessoa capaz de calcular corretamente o sistema de refrigeração. A intuição sugeria que um simples refrigerador ajudaria pouco. (Uma bateria pesando 12 kg exigiria, em um nível estimado, apenas bombear várias dezenas de kg de ar - e são dezenas de metros cúbicos em poucas dezenas de minutos).
3. As dimensões e o peso da bateria aumentariam, o que é extremamente indesejável para uma instalação de mochila, que possui parâmetros de peso muito limitados.

O cálculo foi baseado unicamente nas condições em que, ao final da descarga, a bateria mal chegaria aos limites térmicos de 60 graus, especificados pelo fabricante da célula como limite.

Além disso, uma análise teórica do aquecimento mostrou que, a princípio, o resfriamento forçado pode ser dispensado.

Dado:

• Configuração de compilação 15S16P
• corrente de carga - 72A
• Resistência interna da bateria CC - 24 mOhm (medido experimentalmente)
• tempo de voo - 0,65 horas
• peso da bateria - 12 kg

Dissipação de calor dentro da bateria: (75 A) ^ 2 x 0,024 Ohm x 0,65 h = 88 Wh (lei de Joule-Lenz)
Aumento de temperatura: (88 Wh / 12 kg) / 0,23 Wh / kg-degree = 32 graus.

Se assumirmos que o paramotor elétrico é retirado da sala com uma temperatura de 25 graus, depois dos vôos a bateria atinge uma temperatura de 25 + 32 = 57 graus, que se encaixa nos limites de temperatura.

Conclusões:

1. As baterias modernas são adequadas para resolver o problema de criar uma aeronave pessoal com uma duração de vôo de cerca de meia hora;
2. A pequena resistência interna das células NMC de alta corrente permite, em uma primeira aproximação, dispensar sistemas de refrigeração forçada;
3. O aumento da duração da permanência no ar de uma aeronave usando um parapente como asa de apoio, em condições de fornecimento limitado de energia - deve incluir uma abordagem integrada:
   
   
   • o uso de um parapente com a máxima qualidade aerodinâmica;
   • aumentar o diâmetro do parafuso para aumentar sua eficiência;
   • redução no peso de decolagem (sim, incluindo o uso de dietas para perda de peso);
   • reduzindo o peso do quadro, suspensão para liberá-lo para células adicionais da bateria;
   • o uso de células de 3500 mAh, com uma resistência interna ligeiramente maior, em vez de 3000 mAh com cálculo térmico repetido.

Continua no próximo artigo: “Como decolar com baterias ou a prática de operar o paramotor elétrico SkyMax. Parte 2 "