中國粉體網(wǎng)訊 當(dāng)前，低空經(jīng)濟(jì)正在快速發(fā)展，無人機(jī)等飛行器已經(jīng)逐漸應(yīng)用在測繪、航拍、農(nóng)業(yè)、物流、醫(yī)療或緊急救援等領(lǐng)域。尤其在一些人力執(zhí)行相當(dāng)棘手且危險的領(lǐng)域，無人機(jī)成為了我們的得力幫手。
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相關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)研顯示，全球無人飛行器市場規(guī)模預(yù)計將從2024年的317億美元成長至2030年的912.3億美元，預(yù)測期間的年復(fù)合增長率為16.3%。
市場不斷擴(kuò)大的同時，對無人機(jī)的性能要求越來越高，比如圖像傳輸速度和清晰度等，還要飛得越高飛得越久，相應(yīng)地其工作時產(chǎn)生的熱量也越來越多。但是由于無人機(jī)的體積要盡可能小巧，這便導(dǎo)致其整體設(shè)備的散熱成為了制約其技術(shù)突進(jìn)的瓶頸。
01.熱從何來
電池
電池是無人機(jī)的能量儲備庫，當(dāng)電池放電時，化學(xué)能變?yōu)殡娔茯?qū)動電機(jī)，這個過程會發(fā)熱，尤其在無人機(jī)緊急起飛或者快速攀升時需要大功率輸出，電池需要高倍率放電，電池發(fā)熱問題更為嚴(yán)重。
相關(guān)研究表明，鋰離子電池的最佳使用溫度范圍為25~40℃，超過45℃電池性能就會下降，甚至?xí)鸹鸨�。因此需要對無人機(jī)用鋰離子電池進(jìn)行散熱設(shè)計，使其產(chǎn)生的熱量及時地散去。
電機(jī)、電調(diào)
無人機(jī)的兩大核心就是電機(jī)和電調(diào)（即電子調(diào)速器）。
無人機(jī)飛行全靠螺旋槳或者渦扇來牽引帶動，驅(qū)動它們旋轉(zhuǎn)的動力都是來自電機(jī)，電機(jī)作為無人機(jī)的動力輸出單元，也是個“發(fā)熱大戶”。電機(jī)內(nèi)部有鐵芯和繞組線圈，繞組通電產(chǎn)生電阻損耗，也就是常說的銅損，電流越大、電阻越高，銅損就越大，發(fā)熱也就越厲害；鐵芯在交變磁場下會產(chǎn)生磁滯渦流損耗，即鐵損。像無人機(jī)在持續(xù)飛行、尤其是高速巡航時，電機(jī)長時間高負(fù)荷運轉(zhuǎn)，銅損和鐵損疊加，熱量迅速積聚，這不僅會降低電機(jī)自身的效率，導(dǎo)致動力輸出減弱，還可能使電機(jī)的絕緣材料受損，引發(fā)短路故障，讓飛行器在空中失去動力，后果不堪設(shè)想。
電機(jī)隨時承擔(dān)著動力輸出工作，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率大小卻是靠電調(diào)控制，所以無人機(jī)能平穩(wěn)飛行電調(diào)是功不可沒的。電調(diào)在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，如果電調(diào)過熱導(dǎo)致性能衰減，那就不能很好地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，那飛控就無法承受住這樣大的電流。
逆變器
負(fù)責(zé)將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的交流電。逆變器工作時，通過半導(dǎo)體開關(guān)管的頻繁導(dǎo)通和關(guān)斷來實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。在這個過程中，開關(guān)管自身會產(chǎn)生熱量，而且由于電流的快速變化，還會在電路中形成高頻諧波，進(jìn)一步增加損耗、產(chǎn)生熱量。一旦逆變器過熱，其內(nèi)部的電子元件性能會下降，甚至損壞，造成交流電輸出異常，電機(jī)無法正常工作，無人機(jī)也就陷入了飛行困境。
馬達(dá)與推進(jìn)系統(tǒng)電動馬達(dá)
驅(qū)動螺旋槳的馬達(dá)會因電阻和機(jī)械摩擦而產(chǎn)生熱量，尤其是在高負(fù)載或長時間運作時。電子速度控制器這些裝置可調(diào)節(jié)馬達(dá)的速度，并在運作期間產(chǎn)生熱量，尤其是在管理高電流時。
配電系統(tǒng)配線和連接器
電氣連接器和配線會因電阻而產(chǎn)生熱量，特別是當(dāng)電氣連接器和配線的大小不足以承載電流或連接不良時。
此外，無人機(jī)等各類飛行器具有一定的智能化功能，實現(xiàn)這些先進(jìn)功能也必使得芯片和器件本身的發(fā)熱量進(jìn)一步增加。如攝像頭，它是飛行器的眼睛，然而攝像頭在運行時產(chǎn)生的熱量多，如果散熱不及時，導(dǎo)致溫度升高，電子設(shè)備電阻升高，就會損壞電子元件，從而影響圖像傳送的穩(wěn)定性。
02.散熱“三十六計”
為了解決無人機(jī)散熱問題，工程師們想了很多辦法，如液冷、風(fēng)冷以及各種高效的導(dǎo)散熱材料。
液冷，就像是給設(shè)備安排了一條“清涼小溪”。冷卻液在封閉的管路中循環(huán)流動，流經(jīng)發(fā)熱部件時，熱量就如同被溪水裹挾著，源源不斷地帶走。重新冷卻后的冷卻液又回到電池部位，如此往復(fù)，確保電池始終處于適宜的工作溫度區(qū)間。
風(fēng)冷，則是借助風(fēng)扇、通風(fēng)口等，讓空氣流動起來帶走熱量，好似給設(shè)備吹起了“清涼之風(fēng)”。在一些小型無人機(jī)或者對重量、成本控制極為嚴(yán)苛的項目中，風(fēng)冷大顯身手。
電池包用膠詳解，來源：漢高
導(dǎo)/散熱材料及部件在無人機(jī)熱管理中表現(xiàn)也相當(dāng)給力，例如，在電池?zé)峁芾碇�，�?dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱粘接膠、導(dǎo)熱墊片等熱界面材料必不可少；在芯片散熱方面，熱界面材料、熱管、均熱板等也能發(fā)揮重要作用。
小結(jié)
總之，無人機(jī)的技術(shù)發(fā)展與熱管理水平息息相關(guān)，有效的熱管理解決方案可確保所有元件在指定的溫度范圍內(nèi)運作，提升飛行作業(yè)的性能、可靠性與安全性。
參考來源：
[1]中國粉體網(wǎng)
[2]eVTOL熱管理：解鎖電動飛行的“熱”密碼.eVTOL產(chǎn)業(yè)通
[3]無人機(jī)用鋰離子電池散熱設(shè)計.清華大學(xué)
[4]新一代無人飛行器（UAV）熱管理的需求與機(jī)遇.熱管理Ultra
[5]無人機(jī)散熱方案.工典科技
（中國粉體網(wǎng)/山川）
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