So legen Sie die Spezifikationen für einen maßgeschneiderten UAV-Akku fest: Ein Leitfaden für Drohnen-OEMs

Standard-Akkupacks dienen als Ausgangspunkt. Sobald für Ihre Plattform konkrete Anforderungen an Nutzlast, Betriebsdauer und Formfaktor bestehen, werden diese zum limitierenden Faktor. Dieser Beitrag bietet einen schrittweisen Leitfaden für die Spezifikation eines maßgeschneiderten Lithium-Ionen-Akkupacks für UAV-Anwendungen.

Wann ist ein individuelles Paket sinnvoll?

Drei Anzeichen deuten darauf hin, dass Ihnen Standardlösungen nicht mehr ausreichen.

Erstens: Ihr Ausdauerziel lässt sich innerhalb des Volumen- und Gewichtsbudgets der Flugzeugzelle nicht erreichen. Mit einem Standardakku fehlen Ihnen 10 bis 15 Minuten, und durch den Einbau eines zweiten Akkus würde das Startgewicht die Spezifikationen des Motors überschreiten. Das ist ein Problem der Chemie und der Konfiguration, kein Beschaffungsproblem.

Zweitens: Ihr Rumpfdesign entspricht nicht dem Standard. Ein enges Rumpfprofil, eine Anordnung mit zwei verteilten Akkus oder ein ungewöhnliches Seitenverhältnis, für das kein handelsüblicher Akku passt, ohne dass Kompromisse beim Rumpfdesign eingegangen werden müssen.

Drittens: Die Zyklenlebensdauer oder das thermische Verhalten entspricht nicht den Einsatzbedingungen. Ein Akku, der für 300 Ladezyklen bei 25 °C ausgelegt ist und täglich bei Umgebungstemperaturen von über 35 °C oder in Höhenlagen mit niedrigen Temperaturen betrieben wird, nutzt sich vorzeitig ab. Maßgeschneiderte Akkus werden speziell für die tatsächliche Betriebsumgebung ausgelegt.

Wenn einer dieser Punkte zutrifft, ist eine individuelle Lösung der richtige Weg.

Zellchemie: die erste Entscheidung

Die Chemie bestimmt die Energiedichte, die Entladeleistung und die Zyklenlebensdauer. Das muss man vor allem anderen richtig hinbekommen.

NMC 811 ist der Standard für die meisten leistungsorientierten UAV-Programme. Mit 250–270 Wh/kg und einer Lebensdauer von 400–600 Zyklen bietet es die richtige Balance für die Entwicklung kommerzieller Drohnen. Zellen mit Siliziumanode sind die erste Wahl, wenn das Gewicht die entscheidende Einschränkung für das Programm darstellt und das Budget es zulässt. Aktuelle 21700-Zellen mit Siliziumanode erreichen bis zu 300 Wh/kg bei einer Lebensdauer von 600 Zyklen. LFP ist die richtige Wahl, wenn die Plattform täglich mehrere Zyklen durchläuft und die Lebensdauer wichtiger ist als die Flugzeit pro Mission.

Ein Hinweis zum Zellenformat

Zylindrische 21700-Zellen dominieren den Markt für leistungsstarke UAV-Akkus. Das Format ist mechanisch robust, thermisch berechenbar und bei mehreren Anbietern erhältlich, darunter Samsung, Molicel und Amprius. Das traditionelle Argument für Pouch-Zellen war die höhere Energiedichte, doch dieser Vorsprung ist inzwischen aufgeholt worden. Die Molicel M65A erreicht im 21700-Format 322 Wh/kg. Zellen mit Siliziumanode im gleichen zylindrischen Format erreichen 300 Wh/kg. Diese Werte decken die meisten Anforderungen an die Energiedichte von UAVs ab, ohne die strukturelle Komplexität einer Pouch-Konstruktion.

Beutelzellen kommen nur in zwei Fällen in Frage: wenn die Geometrie des Flugwerks zylindrische Zellen tatsächlich nicht zulässt oder wenn die Anforderungen an die Energiedichte das übersteigen, was zylindrische Zellen leisten können. Für die meisten kommerziellen Drohnenprogramme ist das zylindrische 21700-Format die richtige Wahl.

Akku-Konfiguration: Spannung, Kapazität und Gewicht

Spannung (Reihenschaltung)

Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen bestimmt die Nennspannung des Akkus. Passen Sie diese von Anfang an an die Architektur Ihres Motors und Ihres Reglers an, da eine spätere Änderung eine Neugestaltung der Leistungselektronik erforderlich macht.

Formel zur Kapazitätsberechnung

Fang damit an:

Erforderliche Kapazität (Ah) = (Durchschnittliche Leistungsaufnahme (W) × Flugzeit (h)) ÷ Nennspannung (V)

Multiplizieren Sie das Ergebnis anschließend mit 1,2–1,3. Dieser Faktor berücksichtigt zwei Aspekte: die Entladegrenze von 80 %, die die Lebensdauer sichert, sowie eine Sicherheitsmarge für die in der Praxis auftretenden Schwankungen beim Stromverbrauch.

Beispiel: Eine Plattform, die bei einem 6S-Akku (Nennspannung 22,2 V) durchschnittlich 1.200 W aufnimmt und auf eine Flugzeit von 45 Minuten ausgelegt ist.

• Grundwert: (1.200 × 0,75) ÷ 22,2 = 40,5 Ah
• Mit einem Sicherheitszuschlag von 1,25: 40,5 × 1,25 = ~50,6 Ah

Das ist die Zielkapazität Ihres Akkupacks vor der Zellenauswahl und der Parallelkonfiguration.

Gewichtsbudget

Bei einem leistungsstarken UAV macht die Batterie 25–40 % des MTOW aus. Wenn Ihr Gewichtsbudget vorsieht, dass der Akku mehr als 35 % des MTOW ausmacht, sollten Sie die Zellchemie noch einmal überprüfen, bevor Sie die Konfiguration festlegen. Durch den Wechsel von NMC 622 zu NMC 811 lassen sich bei gleicher Kapazität etwa 10–15 % an Gewicht einsparen. Durch den Wechsel zu Zellen mit Siliziumanode lassen sich noch mehr Einsparungen erzielen. Die Entscheidung über die Chemie und das Gewichtsbudget sind nicht unabhängig voneinander – berücksichtigen Sie beide Aspekte gemeinsam.

Anforderungen an das BMS für UAV-Anwendungen

Das UAV-BMS ist kein industrielles BMS. Jedes Gramm, das das BMS mehr wiegt, geht zu Lasten der Nutzlast oder der Flugdauer. Legen Sie diese Parameter fest, bevor das Design des Akkupacks endgültig festgelegt wird.

Zellenausgleich. Der passive Ausgleich ist Standard bei UAV-Akkus bis zu 12S. Dabei werden Ungleichgewichte während des Ladevorgangs in Form von Wärme abgebaut. Der aktive Ausgleich verteilt die Energie zwischen den Zellen neu und ist effizienter, erhöht jedoch Gewicht und Kosten. Ein aktiver Ausgleich ist nur bei großen Akkus mit mehr als ca. 30 Ah sinnvoll, bei denen eine enge Abstimmung zwischen den einzelnen Zellen über die gesamte Lebensdauer des Akkus nicht aufrechterhalten werden kann.

Ladezustandsgenauigkeit. Geben Sie ±2 % oder besser an. Die Missionsplanung und Entscheidungen über die Rückkehr zum Startpunkt bei niedrigem Ladezustand hängen von genauen Ladezustandsdaten ab. Ein BMS, dessen Ladezustandsangabe um ±5 % abweicht, stellt ein Sicherheitsrisiko dar und ist nicht nur ein Leistungsproblem.

Kommunikationsschnittstelle. UART oder SMBus für Basis-Akkupacks, bei denen der Flugcontroller lediglich Spannungs- und Ladezustandsdaten benötigt. CAN-Bus für Plattformen mit vollständiger Avionik-Integration, Flugcontrollern, Autopiloten und GCS-Systemen, die Echtzeit-Telemetriedaten der Akkupacks benötigen. Legen Sie das Protokoll fest, bevor mit der Gehäusekonstruktion begonnen wird.

Schutzschwellenwerte. Thermoschutz, Überstromschutz und Unterspannungsabschaltung sind unverzichtbar. Legen Sie die konkreten Schwellenwerte im Lastenheft fest und überlassen Sie diese nicht den Standardeinstellungen des Lieferanten.

Intelligentes BMS mit Telemetrie. Lohnt sich trotz des höheren Gewichts für den gewerblichen Einsatz und den Flottenbetrieb. Durch die Erfassung von Ladezyklen, Temperaturverläufen und Zellspannungsprotokollen lassen sich die Wartungskosten vor Ort senken und ein vorausschauender Austausch ermöglichen. Für Entwicklungsprojekte oder Forschungsprogramme mit einer einzigen Plattform ist das einfachere BMS in der Regel die richtige Wahl.

Formfaktor und mechanische Integration

Legen Sie die Abmessungen des Gehäuses fest, bevor Sie sich an einen Lieferanten wenden. Maximale Länge, Breite und Höhe. Die Position des Anschlusses – ob er an der Vorderseite, an der Seite oder am Ende des Gehäuses herausgeführt wird – beeinflusst die Verlegung des Kabels im Flugzeug. Befestigungsschnittstelle, Schiene, Platte und Befestigungsmechanismus. All dies muss in der Leistungsbeschreibung enthalten sein.

Der Schwerpunkt ist genauso wichtig wie das Volumen. Ein Akku, der zwar physisch passt, dessen Schwerpunkt jedoch außerhalb der Toleranz liegt, ist unbrauchbar. Insbesondere bei Multirotor-Plattformen ist der Akku konstruktionsbedingt auf oder nahe der Schwerpunktachse angeordnet. Ist ein maßgefertigter Akku länger oder kürzer als das Original, verschiebt sich die Befestigungsposition, und die Schwerpunktberechnung muss neu durchgeführt werden. Weisen Sie in Ihrer Spezifikation ausdrücklich auf die Empfindlichkeit hinsichtlich des Schwerpunkts hin; dies gibt dem Lieferanten Aufschluss darüber, wo beim Formfaktor Flexibilität besteht und wo nicht.

Die Richtung des Kabelausgangs wird regelmäßig nicht genau festgelegt. Ein Stecker an der falschen Seite des Gehäuses verlängert die Kabelführung durch den engen Rumpf um 15–20 cm, was zu Problemen mit dem Biegeradius, zu zusätzlichem Gewicht und zu einer komplexeren Montage führt. Legen Sie die Ausgangsrichtung ausdrücklich fest.

Der Steckverbinderstandard muss festgelegt werden, bevor die Gehäuseauslegung endgültig festgelegt wird. Der XT60 ist für bis zu ca. 60 A Dauerstrom ausgelegt. Der XT90 ist für ca. 90 A ausgelegt. Der AS150U ist für 150 A ausgelegt und die erste Wahl für Hochstromplattformen. Wenn keiner dieser Steckverbinder zur Kabelbaumarchitektur passt, sind kundenspezifische Kontakte eine Option, die jedoch die Lieferzeit verlängern und die Kosten erhöhen.

Bei redundanten Dual-Pack-Architekturen: Parallel-Packs erfordern einen angeglichenen Innenwiderstand. Nicht alle Zellen weisen über ihre gesamte Lebensdauer hinweg eine enge Toleranz beim Innenwiderstand auf. Klären Sie mit Ihrem Lieferanten, ob die ausgewählte Zelle für den Parallel-Pack-Betrieb geeignet ist.

Zertifizierungen und Einhaltung der Transportvorschriften

UN 38.3. Erforderlich für den Lufttransport von Lithium-Ionen-Akkus. Jeder seriöse Hersteller verfügt darüber. Verlangen Sie den Prüfbericht, nicht nur das Zertifikat, und vergewissern Sie sich, dass der Bericht Ihre spezifische Akkukonfiguration abdeckt, nicht nur die Basiszelle. Ein UN 38.3-Zertifikat für eine 100-Wh-Zelle gilt nicht automatisch auch für einen aus dieser Zelle gebauten 1.500-Wh-Akku.

IEC 62133. Diese Norm ist für kommerzielle UAV-Anwendungen in regulierten Märkten vorgeschrieben, insbesondere wenn das Endprodukt eine CE-Kennzeichnung trägt. Klären Sie vor der Versendung der Angebotsanfrage mit Ihrem Compliance-Team, ob dies für Ihre Plattform gilt.

ADR (Straßentransport in Europa). Für Lithium-Ionen-Akkus, die bestimmte Wh-Grenzwerte überschreiten, gelten beim Straßentransport innerhalb Europas die Vorschriften für Gefahrgut der Klasse 9. Ihr Lieferant sollte sich um die Dokumentation kümmern, doch Sie müssen die Grenzwerte und die Verpackungsvorschriften kennen.

Wenn Ihre Plattform die Einhaltung von DO-160 oder MIL-STD-810 erfordert, muss dies von Anfang an im Lastenheft festgehalten werden und darf nicht erst nach Abschluss des Gehäusedesigns nachträglich hinzugefügt werden.

Was Sie Ihrem Lieferanten schicken sollten

Ein Ingenieur, der die folgende Anfrage schickt, erhält ein konkretes Angebot. Wer hingegen schreibt: „Ich brauche eine UAV-Batterie“, bekommt eine allgemeine Antwort und muss zwei Wochen warten.

• Nennspannung und Nennkapazität (Ah)
• Spitzen- und Dauerausgangsleistung (Nennleistung in Ampere)
• Grenzwerte für Formfaktor: maximale Abmessungen und zulässiges Gewicht
• Bevorzugte Zellchemie (oder „offen für Empfehlungen“)
• Anforderungen an das BMS: Kommunikationsprotokoll, Genauigkeit des SoC, Telemetrieausgabe
• Steckertyp und Kabelausgangsrichtung
• Angestrebte Zyklenlebensdauer und Entladetiefe
• Erforderliche Zertifizierungen (UN 38.3, IEC 62133, sonstige)
• Zielvolumen: nur Prototyp / Pilotproduktion / Serienproduktion
• Zeitplan: Wann wird das Erstmuster benötigt?

Je mehr davon Sie vor dem ersten Gespräch dokumentieren können, desto schneller kann Ihnen ein Anbieter eine konkrete Antwort geben.

Wichtige Entscheidungen: Zusammenfassung

• Zunächst zur Chemie: NMC 811 für leistungsstarke UAVs und Zellen mit Siliziumanode, wenn das Gewicht die entscheidende Einschränkung darstellt
• Konfiguration: Kapazität mit einer Marge von 20–30 % über dem berechneten Bedarf festlegen; vor der Festlegung anhand des Gewichtsbudgets überprüfen
• BMS: Legen Sie das Kommunikationsprotokoll und die Genauigkeit des SoC fest, bevor das Pack-Design endgültig festgelegt wird; eine Änderung dieser Parameter nach der Gehäuseentwicklung verursacht zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand.
• Formfaktor: Legen Sie die Abmessungen und das Budget für den Schwerpunkt fest, bevor Sie sich an einen Lieferanten wenden
• Zertifizierungen: Vergewissern Sie sich, dass UN 38.3 erfüllt ist und Ihre spezifische Konfiguration abdeckt; klären Sie die Anforderungen gemäß IEC 62133 und DO-160 vor der Angebotsanfrage mit Ihrem Compliance-Team ab
• Lieferzeit: Dan-Tech liefert maßgeschneiderte Verpackungen bereits innerhalb von 3 Wochen nach Bestätigung der Spezifikationen – nehmen Sie frühzeitig Kontakt mit uns auf, um Ihren Zeitplan einzuhalten

Dan-Tech Energy fertigt maßgeschneiderte Lithium-Ionen-Akkus für UAV- und Drohnen-OEMs in ganz Europa – vom Prototyp bis zur Serienproduktion. Stöbern Sie in unserem Akku-Katalog oder nutzen Sie die ToolBox, um Ihre Spezifikationen zu konfigurieren und direkt zu erfahren, was möglich ist und wann. Die Lieferzeiten betragen ab 3 Wochen nach Bestätigung der Spezifikationen.