Cómo diseñar una batería personalizada para un UAV: guía para fabricantes de drones

Los paquetes estándar son un punto de partida. Una vez que tu plataforma tiene requisitos concretos en cuanto a carga útil, autonomía y dimensiones, estos se convierten en la limitación. Este artículo ofrece un marco paso a paso para definir las especificaciones de un paquete de baterías de iones de litio a medida para aplicaciones de UAV.

¿Cuándo conviene optar por un paquete personalizado?

Hay tres señales que indican que ya no te basta con lo que hay en el mercado.

En primer lugar: tu objetivo de autonomía no se puede alcanzar dentro de los límites de volumen y peso de la estructura de la aeronave. Con una batería estándar te faltan entre 10 y 15 minutos, y añadir una segunda batería hace que el peso máximo al despegue (MTOW) supere las especificaciones del motor. Se trata de un problema de química y configuración, no de adquisición.

Segundo: tu diseño no es estándar. Un fuselaje muy estrecho, una disposición con dos motores distribuidos o una relación de aspecto inusual que no permite utilizar ningún kit de catálogo sin comprometer la estructura del avión.

En tercer lugar: la vida útil o el comportamiento térmico no se ajustan a las condiciones de campo. Una batería diseñada para 300 ciclos a 25 °C que se utilice a diario en un entorno con temperaturas superiores a 35 °C o en condiciones de baja temperatura a gran altitud se degradará antes de lo previsto. Las baterías personalizadas se diseñan específicamente para el entorno operativo real.

Si se da alguno de estos casos, lo mejor es optar por una solución personalizada.

Química celular: la primera decisión

La química determina la densidad energética, la capacidad de descarga y la vida útil. Asegúrate de tener esto claro antes que nada.

El NMC 811 es la opción predeterminada para la mayoría de los programas de UAV de alto rendimiento. Con una densidad energética de 250-270 Wh/kg y una vida útil de 400-600 ciclos, ofrece el equilibrio ideal para el desarrollo de drones comerciales. Las celdas con ánodo de silicio son la opción más adecuada cuando el peso es la restricción determinante del programa y el presupuesto lo permite. Las actuales celdas de ánodo de silicio 21700 alcanzan hasta 300 Wh/kg con una vida útil de 600 ciclos. El LFP es la elección adecuada cuando la plataforma realiza múltiples ciclos diarios y la vida útil es más importante que el tiempo de vuelo por misión.

Una nota sobre el formato de las celdas

Las celdas cilíndricas 21700 dominan el mercado de las baterías para UAV de alto rendimiento. Este formato es mecánicamente robusto, térmicamente predecible y está disponible a través de múltiples proveedores, entre los que se encuentran Samsung, Molicel y Amprius. El argumento tradicional a favor de las celdas tipo bolsa era su mayor densidad energética, pero esa diferencia se ha reducido. La Molicel M65A alcanza los 322 Wh/kg en formato 21700. Las celdas con ánodo de silicio en el mismo formato cilíndrico alcanzan los 300 Wh/kg. Estas cifras cubren la mayoría de los requisitos de densidad energética de los UAV sin la complejidad estructural de la construcción de las celdas tipo bolsa.

Las baterías de tipo bolsa siguen siendo una opción válida en dos casos: cuando la geometría del fuselaje realmente no permite el uso de baterías cilíndricas, o cuando los requisitos de densidad energética superan lo que pueden ofrecer las baterías cilíndricas. Para la mayoría de los programas de drones comerciales, el formato adecuado es el de las baterías cilíndricas 21700.

Características de la batería: tensión, capacidad y peso

Tensión (configuración en serie)

El número de celdas en serie determina la tensión nominal del paquete. Adáptalo desde el principio a la arquitectura de tu motor y del ESC, ya que cambiarlo más adelante implicaría rediseñar la electrónica de potencia.

Fórmula para calcular la capacidad

Empieza por esto:

Capacidad necesaria (Ah) = (Consumo medio de energía (W) × Duración del vuelo (h)) ÷ Tensión nominal (V)

A continuación, multiplica el resultado por 1,2–1,3. Ese factor tiene en cuenta dos aspectos: el límite de profundidad de descarga del 80 % que preserva la vida útil de la batería, y un margen de seguridad para las variaciones reales en el consumo de energía.

Ejemplo: una plataforma que consume una media de 1.200 W con una batería de 6S (22,2 V nominales) y que tiene como objetivo una autonomía de vuelo de 45 minutos.

• Base: (1 200 × 0,75) ÷ 22,2 = 40,5 Ah
• Con un margen de 1,25: 40,5 × 1,25 = ~50,6 Ah

Esa es la capacidad nominal del paquete antes de la selección de celdas y la configuración en paralelo.

Presupuesto de peso

La batería representa entre el 25 % y el 40 % del peso máximo al despegue (MTOW) en un UAV de alto rendimiento. Si tu presupuesto de peso sitúa el peso de la batería por encima del 35 % del MTOW, revisa la composición química de las celdas antes de fijar la configuración. Pasar de NMC 622 a NMC 811 permite reducir la masa en aproximadamente un 10-15 % para la misma capacidad. El cambio a celdas con ánodo de silicio permite una mayor reducción. La elección de la composición química y el presupuesto de peso no son independientes; hay que tenerlos en cuenta conjuntamente.

Requisitos del sistema de gestión de la batería (BMS) para aplicaciones con vehículos aéreos no tripulados (UAV)

El BMS para UAV no es un BMS industrial. Cada gramo que pesa el BMS es un gramo que resta a la carga útil o a la autonomía. Especifique estos parámetros antes de que se cierre el diseño del paquete.

Equilibrado de celdas. El equilibrado pasivo es el estándar para baterías de UAV de hasta 12S. Disipa el desequilibrio en forma de calor durante la carga. El equilibrado activo redistribuye la energía entre las celdas y es más eficiente, pero aumenta el peso y el coste. El equilibrado activo solo se justifica en baterías de gran tamaño, de más de ~30 Ah, en las que no es posible mantener una coincidencia precisa entre celdas a lo largo de la vida útil de la batería.

Precisión del estado de carga (SoC). Especifique una precisión de ±2 % o superior. La planificación de misiones y las decisiones de regreso a la base por bajo nivel de batería dependen de datos precisos sobre el estado de carga. Un sistema de gestión de la batería (BMS) con una desviación de ±5 % en el estado de carga supone un riesgo para la seguridad, no solo un problema de rendimiento.

Interfaz de comunicación. UART o SMBus para baterías básicas en las que el controlador de vuelo solo necesita datos de tensión y estado de carga (SoC). Bus CAN para plataformas con integración completa de aviónica, controladores de vuelo, pilotos automáticos y sistemas GCS que requieran telemetría de la batería en tiempo real. Especifique el protocolo antes de comenzar con el diseño de la carcasa.

Umbrales de protección. La protección térmica, la protección contra sobrecorriente y el bloqueo por subtensión son requisitos imprescindibles. Defina los umbrales específicos en el pliego de condiciones; no los deje en los ajustes predeterminados del proveedor.

Sistema de gestión de baterías (BMS) inteligente con telemetría. Merece la pena el aumento de peso para operaciones comerciales y de flotas. El recuento de ciclos, el historial de temperatura y los registros de tensión por célula reducen los costes de mantenimiento sobre el terreno y permiten la sustitución predictiva. Para programas de desarrollo o investigación con una sola plataforma, el BMS más sencillo suele ser la opción más acertada.

Formato e integración mecánica

Define las dimensiones del paquete antes de contactar con un proveedor. Longitud, anchura y altura máximas. La ubicación del conector —ya sea en la parte frontal, lateral o trasera del paquete— influye en el recorrido del cable a lo largo del fuselaje. Interfaz de montaje, riel, placa y mecanismo de sujeción. Todo esto debe figurar en el pliego de condiciones.

El centro de gravedad es tan importante como el volumen. Una batería que, aunque se ajuste físicamente, desplace el centro de gravedad fuera de los límites de tolerancia, resulta inutilizable. Especialmente en el caso de las plataformas multirrotor, la batería se coloca, por diseño, sobre el eje del centro de gravedad o cerca de él. Si una batería personalizada es más larga o más corta que la original, la posición de montaje cambia y es necesario volver a calcular el centro de gravedad. Indica la sensibilidad al centro de gravedad en tus especificaciones; así, el proveedor sabrá en qué aspectos del diseño hay flexibilidad y en cuáles no.

La dirección de salida del cable suele quedar mal definida. Un conector situado en la cara incorrecta del paquete añade entre 15 y 20 cm de recorrido del cable a través de un fuselaje estrecho, lo que genera problemas de radio de curvatura, aumento de peso y mayor complejidad en el montaje. Especifique la dirección de salida de forma explícita.

Es necesario acordar el estándar del conector antes de finalizar el diseño de la caja. El XT60 admite hasta unos 60 A en continuo. El XT90 admite unos 90 A. El AS150U admite 150 A y es la opción recomendada para plataformas de alta intensidad. Si ninguno de estos se adapta a la arquitectura del mazo de cables, se pueden utilizar contactos personalizados, aunque esto aumenta el plazo de entrega y el coste.

En el caso de las arquitecturas redundantes de paquetes dobles: los paquetes en paralelo requieren una resistencia interna homogénea. No todas las celdas mantienen una tolerancia de resistencia interna estricta a lo largo de su vida útil. Confirme con su proveedor que la celda seleccionada es adecuada para el funcionamiento en paralelo de los paquetes.

Certificaciones y cumplimiento de la normativa de transporte

UN 38.3. Obligatorio para el transporte aéreo de cualquier batería de iones de litio. Cualquier fabricante de confianza lo tendrá. Solicita el informe de pruebas, no solo el certificado, y comprueba que el informe cubra la configuración específica de tu batería, no solo la célula base. Un certificado UN 38.3 para una célula de 100 Wh no cubre automáticamente una batería de 1 500 Wh fabricada a partir de esa célula.

IEC 62133. Es una norma obligatoria para las aplicaciones comerciales de UAV en mercados regulados, especialmente si el producto final lleva el marcado CE. Consulte con su equipo de cumplimiento normativo si esto se aplica a su plataforma antes de enviar la solicitud de presupuesto.

ADR (transporte por carretera en Europa). Las normas sobre mercancías peligrosas de la clase 9 se aplican a los paquetes de baterías de iones de litio que superen determinados umbrales de vatios-hora (Wh) cuando se transporten por carretera dentro de Europa. Tu proveedor debería encargarse de la documentación, pero debes conocer los umbrales y los requisitos de embalaje.

Si tu plataforma requiere el cumplimiento de las normas DO-160 o MIL-STD-810, esto debe figurar en el documento de especificaciones desde el primer momento, y no añadirse a posteriori una vez finalizado el diseño del paquete.

Qué enviar a tu proveedor

Un ingeniero que envíe lo siguiente recibirá un presupuesto concreto. Quien envíe «Necesito una batería para un UAV» recibirá una respuesta genérica y tendrá que esperar dos semanas.

• Tensión nominal y capacidad (Ah)
• Corriente máxima y corriente nominal (clasificación C o amperios)
• Enmarcado de las dimensiones: dimensiones máximas y límite de peso
• Preferencia en cuanto a la química celular (o «abierto a sugerencias»)
• Requisitos del sistema de gestión de la batería (BMS): protocolo de comunicación, precisión del sistema integrado (SoC) y salida de telemetría
• Tipo de conector y dirección de salida del cable
• Vida útil prevista y profundidad de descarga
• Certificaciones requeridas (UN38.3, IEC 62133, otras)
• Volumen previsto: solo prototipo / tirada piloto / escala de producción
• Calendario: ¿para cuándo se necesita el primer artículo?

Cuanta más información puedas recopilar antes de la primera conversación, más rápido podrá darte el proveedor una respuesta concreta.

Decisiones clave: resumen

• Lo primero es la química: NMC 811 para los UAV de mayor rendimiento; celdas con ánodo de silicio cuando el peso es la restricción del proyecto
• Configuración: calcular la capacidad con un margen del 20-30 % por encima de las necesidades calculadas; comprobar que se ajusta al presupuesto de peso antes de cerrar
• BMS: especifique el protocolo de comunicación y la precisión del SoC antes de que se cierre el diseño del paquete; modificar estos parámetros una vez finalizado el diseño de la carcasa conlleva un aumento del tiempo y los costes
• Aspectos técnicos: define bien las dimensiones y el presupuesto para el centro de gravedad antes de contactar con un proveedor
• Certificaciones: comprueba que la norma UN38.3 se aplica y cubre la configuración específica de tu paquete; consulta los requisitos de las normas IEC 62133 y DO-160 con tu equipo de cumplimiento normativo antes de solicitar un presupuesto.
• Plazos: Dan-Tech entrega los paquetes personalizados en tan solo 3 semanas desde la confirmación de las especificaciones; ponte en contacto con nosotros con antelación para garantizar el cumplimiento de tu calendario de proyectos

Dan-Tech Energy fabrica paquetes de baterías de iones de litio a medida para fabricantes de UAV y drones de toda Europa, desde la fase de prototipo hasta la producción. Echa un vistazo a nuestro catálogo de paquetes de baterías o utiliza la herramienta ToolBox para configurar tus especificaciones y obtener una respuesta inmediata sobre qué es posible y en qué plazo. Los plazos de entrega son a partir de 3 semanas desde la confirmación de las especificaciones.