🔋 Источники питания

Образовательная организация: [Наименование ОО]
Учитель: [ФИО учителя]
Дата проведения: [Дата]

Модуль: 🔧 Техническая база
Тема урока: 🔋 Источники питания: Энергетическое сердце БПЛА

Цель урока: Сформировать глубокое понимание энергетических систем БПЛА, развить навыки выбора, расчета и безопасной эксплуатации источников питания, заложить основы энергетического менеджмента.

Личностные:

• Ответственное отношение к безопасности при работе с энергоемкими системами
• Понимание экологических аспектов использования батарей
• Развитие инженерного подхода к энергетической эффективности

Предметные:

• Знание типов батарей и их характеристик для БПЛА
• Понимание принципов расчета энергопотребления и времени полета
• Навыки безопасной эксплуатации и обслуживания батарей
• Умение оптимизировать энергетические системы

Метапредметные (УУД):

• Познавательные: анализ энергетических характеристик, расчетные навыки
• Регулятивные: планирование энергоресурсов, контроль безопасности
• Коммуникативные: техническая коммуникация по вопросам безопасности

Задачи урока:

1. Изучить современные технологии аккумуляторов для БПЛА
2. Освоить расчеты энергопотребления и планирование полетов
3. Развить навыки безопасной работы с высокоэнергетическими системами
4. Понять принципы энергетической оптимизации

Тип урока: Энергетическая лаборатория с элементами инженерных расчетов

Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:

• Батареи различных типов: LiPo, Li-ion, LiFe, NiMH для сравнения
• Измерительное оборудование: мультиметры, анализаторы батарей, нагрузочные тестеры
• Зарядные устройства: различных типов и мощностей
• Безопасное оборудование: LiPo сейфы, противопожарные одеяла, средства тушения

Образовательные технологии:

• Экспериментальное исследование энергетических систем
• Расчетно-аналитические методы инженерного проектирования
• Технология безопасного обращения с энергоемкими системами

Межпредметные связи:

• Химия: электрохимические процессы, химические источники тока
• Физика: электричество, термодинамика, энергия и мощность
• Математика: расчеты мощности, емкости, времени автономности
• Экология: утилизация батарей, экологический след

Основные понятия:

• Емкость (mAh), напряжение (V), C-rate, энергия (Wh)
• LiPo, Li-ion, литий-железо-фосфатные батареи
• BMS (Battery Management System), балансировка ячеек
• Энергетическая плотность, удельная мощность
• Cycle life, деградация, внутреннее сопротивление
• Power distribution, PDB, регуляторы напряжения

| “Расследование энергетической катастрофы” | Создает проблемную ситуацию через реальный кейс:

⚡ Сценарий катастрофы:
Показывает “мертвый” дрон и вздутую батарею:
“Этот дрон совершил аварийную посадку через 3 минуты полета вместо запланированных 20. Что пошло не так?”

🔍 Следственный эксперимент:
• Измерение напряжения “разряженной” батареи
• Проверка внутреннего сопротивления
• Анализ токопотребления системы
• Расчет реального времени полета

📊 Энергетические загадки:
• Почему одинаковые батареи дают разное время полета?
• Что происходит с батареей на морозе?
• Почему нельзя полностью разряжать LiPo?
• Как холодное утро превратило 4S батарею в 3S?

🎯 Миссия энергоинженера:
“Сегодня вы станете специалистами по энергетическим системам и научитесь предотвращать такие катастрофы!” | Исследуют энергетическую аварию, проводят диагностику батареи, выдвигают гипотезы о причинах проблем | Понимание критической важности правильного энергетического планирования | Познавательные: анализ технических неисправностей
Регулятивные: понимание важности планирования ресурсов |

| “Битва химических элементов” | Сравнивает различные технологии батарей:

⚡ LiPo (Lithium Polymer) - гонщики:
• Плюсы: высокий C-rate (20-45C), легкие, компактные
• Минусы: опасность возгорания, короткий срок службы
• Применение: гоночные дроны, акробатика
• Характеристики: 3.7V номинал, 4.2V максимум, 3.3V минимум

🔋 Li-ion (Lithium-ion) - марафонцы:
• Плюсы: высокая емкость, долгий срок службы, безопаснее
• Минусы: низкий C-rate (2-5C), тяжелее
• Применение: фото/видео дроны, дальние полеты
• Популярные: 18650, 21700 форматы

🛡️ LiFePO4 (Литий-железо-фосфат) - безопасники:
• Плюсы: максимальная безопасность, 2000+ циклов
• Минусы: низкое напряжение (3.2V), больший вес
• Применение: промышленные дроны, обучение

📊 Сравнительный тест:
<br/>Параметр | LiPo | Li-ion | LiFePO4<br/>-------------|--------|--------|--------<br/>Емкость/вес | 150Wh/kg| 250Wh/kg| 120Wh/kg<br/>C-rate | 20-45C | 2-5C | 5-10C<br/>Циклы | 300 | 800 | 2000<br/>Безопасность | Низкая | Средняя| Высокая<br/>| Сравнивают характеристики различных типов батарей, проводят практические тесты, понимают области применения | Знание технологий аккумуляторов и их характеристик | Познавательные: сравнительный анализ технологий
Регулятивные: выбор оптимальных решений |

| “Анатомия энергетического сердца” | Изучает внутреннее устройство батарей:

🔬 Строение LiPo элемента:
• Катод (LiCoO2), анод (графит), электролит
• Сепаратор и принцип ионного обмена
• Почему напряжение падает при разряде
• Химические процессы заряда/разряда

🔗 Последовательное и параллельное соединение:
• 3S1P: 3 элемента последовательно = 11.1V
• 2S2P: 2 параллельных блока по 2 элемента = 7.4V, удвоенная емкость
• 4S3P: высокое напряжение + большая емкость
• Балансировка ячеек и ее важность

🧠 BMS (Battery Management System):
• Мониторинг напряжения каждой ячейки
• Защита от перезаряда и переразряда
• Балансировка заряда между элементами
• Контроль температуры и тока

⚡ Практический анализ:
• Разборка старой батареи (безопасно!)
• Измерение напряжения отдельных ячеек
• Проверка работы балансировочного разъема
• Анализ причин выхода из строя | Изучают внутреннее устройство батарей, понимают принципы работы BMS, анализируют причины деградации | Понимание физических и химических принципов работы батарей | Познавательные: понимание сложных технических систем
Регулятивные: системный подход к диагностике |

| “Математика энергетической эффективности” | Обучает практическим расчетам энергопотребления:

📏 Основные формулы энергетики:
<br/>Энергия (Wh) = Напряжение (V) × Емкость (Ah)<br/>Мощность (W) = Напряжение (V) × Ток (A)<br/>Время полета (мин) = Емкость (mAh) / Ток потребления (mA) × 60<br/>C-rate = Ток разряда (A) / Емкость (Ah)<br/>

⚡ Расчет энергопотребления дрона:
• Моторы: 4 × 15A = 60A при полном газе
• Автопилот: 0.5A постоянно
• Камера и подвес: 2A
• Передатчики: 1A
• Итого: 63.5A пиковое, ~25A крейсерское

🔋 Выбор батареи под задачу:
Задача: 20-минутный полет фотодрона
• Крейсерский ток: 25A
• Необходимая емкость: 25A × 0.33h = 8.3Ah
• С учетом запаса 30%: 11Ah
• Выбор: 4S 12000mAh Li-ion

📊 Практические расчеты:
Команды получают различные сценарии:
• Гоночный квадрокоптер (3 минуты максимум)
• Инспекционный дрон (45 минут)
• Грузовой коптер (15 минут с грузом 2кг)
• Необходимо подобрать оптимальную батарею | Выполняют инженерные расчеты энергопотребления, подбирают батареи под конкретные задачи, оптимизируют энергосистемы | Навыки энергетических расчетов и оптимизации систем | Познавательные: применение математических формул к практическим задачам
Регулятивные: планирование ресурсов и оптимизация |

| “Укрощение энергетических драконов” | Обучает безопасной работе с батареями:

⚠️ Опасности LiPo батарей:
• Тепловой разгон: цепная реакция перегрева
• Puffing: вздутие при деградации
• Возгорание: температура >150°C
• Токсичные газы: фтороводород при горении

🛡️ Правила безопасности:
• Хранение: заряд 50-60%, температура 15-25°C
• Зарядка: только специальными зарядниками, под наблюдением
• Транспортировка: в LiPo-сейфах, защита от проколов
• Утилизация: только в специализированных пунктах

🔥 Противопожарные процедуры:
• Класс пожара D (металлы) - НЕ водой!
• Песок, специальные порошки, CO2
• Эвакуация помещения при задымлении
• Вентиляция для удаления токсичных газов

🧪 Безопасные эксперименты:
• Демонстрация перегрева разряженной ячейки
• Правильная процедура балансировки
• Тестирование системы мониторинга
• Использование противопожарных средств

📋 Чек-лист безопасности:
- [ ] Проверка вздутия перед использованием
- [ ] Контроль температуры во время зарядки
- [ ] Балансировка всех ячеек
- [ ] Правильное хранение после использования | Изучают правила безопасности, отрабатывают процедуры, понимают риски работы с батареями, осваивают противопожарные меры | Навыки безопасной работы с высокоэнергетическими системами | Регулятивные: соблюдение правил безопасности, управление рисками
Личностные: ответственное отношение к безопасности |

| “Искусство энергосбережения” | Обучает методам оптимизации энергопотребления:

⚙️ Аппаратная оптимизация:
• Эффективные ESC: синусоидальное управление vs трапециевидное
• Легкие компоненты: карбон vs алюминий vs пластик
• Оптимальные пропеллеры: диаметр vs шаг для эффективности
• Аэродинамика: обтекаемость корпуса, сопротивление

💻 Программная оптимизация:
• Экономичные режимы полета: ограничение максимального тока
• Адаптивная мощность: автоматическое снижение при низком заряде
• Оптимизация траекторий: минимизация энергозатратных маневров
• Интеллектуальное планирование: учет ветра и погоды

📊 Мониторинг энергопотребления:
• Real-time телеметрия: напряжение, ток, оставшаяся емкость
• Предиктивная аналитика: прогноз времени полета
• Энергетические профили: анализ эффективности маневров
• Автоматические предупреждения: уведомления о критическом заряде

🎯 Практическое задание:
Команды соревнуются в энергоэффективности:
• Одинаковые дроны, одинаковые батареи
• Задача: максимальное время полета
• Разрешена любая оптимизация (кроме замены батареи)
• Анализ использованных методов | Изучают методы энергетической оптимизации, применяют различные техники энергосбережения, соревнуются в эффективности | Навыки энергетической оптимизации и менеджмента | Познавательные: системный подход к оптимизации
Регулятивные: управление ресурсами, планирование эффективности |

| “Энергетическая революция” | Знакомит с перспективными технологиями:

🚀 Технологии будущего:
• Графеновые батареи: сверхбыстрая зарядка, высокая емкость
• Водородные топливные элементы: часы полета вместо минут
• Беспроводная зарядка: зарядка в полете через микроволны
• Солнечные панели: вечный полет в стратосфере

⚡ Современные прорывы:
• Твердотельные батареи: безопасность + производительность
• Литий-серные: теоретически 5x больше энергии
• Суперконденсаторы: мгновенная зарядка для экстренных маневров
• Гибридные системы: комбинация различных технологий

🌍 Экологические аспекты:
• Переработка литиевых батарей
• Экологический след производства
• Возобновляемая энергетика для зарядки
• Circular economy в электронике

🏠 Исследовательское задание: “Энергетическое будущее” - анализ перспективной технологии и ее потенциала для БПЛА | Изучают перспективные энергетические технологии, анализируют тренды развития, понимают экологические аспекты | Понимание направлений развития энергетических технологий | Познавательные: анализ технологических трендов
Личностные: экологическое сознание |

 1Параметр              | LiPo      | Li-ion    | LiFePO4   | NiMH
 2---------------------|-----------|-----------|-----------|----------
 3Напряжение элемента  | 3.7V      | 3.7V      | 3.2V      | 1.2V
 4Энергоплотность      | 150Wh/kg  | 250Wh/kg  | 120Wh/kg  | 80Wh/kg
 5Максимальный C-rate  | 45C       | 5C        | 10C       | 5C
 6Циклы жизни          | 300-500   | 800-1500  | 2000+     | 1000
 7Стоимость $/Wh       | 0.3-0.5   | 0.2-0.3   | 0.4-0.6   | 0.1-0.2
 8Рабочая температура  | -10..60°C | -20..60°C | -20..70°C | -20..50°C
 9Саморазряд %/месяц   | 5-10%     | 2-5%      | 3-5%      | 15-20%
10Время зарядки        | 1-2 часа  | 2-4 часа  | 3-5 часов | 6-8 часов

Базовые расчеты:

1Энергия (Wh) = Напряжение (V) × Емкость (Ah)
2Время полета (час) = Емкость батареи (Ah) / Потребление (A) × КПД
3C-rate = Ток разряда (A) / Номинальная емкость (Ah)
4Эффективность (g/W) = Масса дрона (g) / Потребляемая мощность (W)

Расчет времени полета:

1T = (Емкость × Напряжение × КПД) / Средняя мощность × 60 (мин)
2
3где:
4КПД системы = 0.7-0.8 (моторы + ESC + пропеллеры)
5Средняя мощность = Hover power × 1.2-1.5 (запас на маневры)

Тяговооруженность и энергоэффективность:

1Тяговооруженность = Максимальная тяга / Взлетная масса
2Оптимум для коптеров: 2:1 - 3:1
3
4Удельная мощность ховера = Вес³/² / (2 × ρ × S × КПД)
5где S - площадь диска винтов, ρ - плотность воздуха

Типичное энергопотребление квадрокоптера 500г:

1Режим полета        | Ток (A) | Мощность (W) | Время на 2200mAh
2-------------------|---------|--------------|------------------
3Ховер              | 8-12    | 90-135       | 12-18 мин
4Медленный полет    | 10-15   | 110-170      | 10-15 мин
5Агрессивные маневры| 20-35   | 220-390      | 4-7 мин
6Максимальная тяга  | 40-60   | 440-670      | 2-3 мин

Тестирование батарей:

• Проверка напряжения покоя (после 30 мин без нагрузки)
• Измерение внутреннего сопротивления (milliohm meter)
• Нагрузочное тестирование (1C разряд, контроль просадки)
• Тест балансировки (разность напряжений ячеек <0.1V)

Анализ деградации:

• Capacity test: полный заряд/разряд с измерением емкости
• IR testing: рост внутреннего сопротивления >100%
• Voltage sag: просадка >0.5V под нагрузкой 1C
• Physical inspection: вздутие, деформация, повреждения

Анализ логов полета:

• Mission Planner: графики напряжения, тока, потребления
• Betaflight Blackbox: высокочастотные данные энергосистемы
• UAV Log Viewer: анализ эффективности полета
• Battery analyzers: специализированные программы тестирования

Планирование полетов:

• eCalc: калькулятор времени полета и эффективности
• Flight time calculators: онлайн инструменты расчета
• Weather integration: учет влияния погоды на энергопотребление

Транспортировка батарей:

• Заряд 30-50% для транспортировки
• LiPo сейфы или металлические контейнеры
• Защита клемм от короткого замыкания
• Маркировка опасных грузов (UN3480, UN3481)

Правила авиаперевозок:

• Ручная кладь: до 100Wh без ограничений
• 100-160Wh: до 2 штук с разрешения

• 160Wh: запрещены в пассажирской авиации

• Запасные батареи только в ручной клади

Утилизация батарей:

• Полная разрядка перед утилизацией
• Сдача в специализированные пункты
• Извлечение ценных металлов (литий, кобальт)
• Соблюдение директив WEEE и RoHS

Battery Engineer (₽120-350k):

• Разработка новых энергетических технологий
• Тестирование и сертификация батарей
• Оптимизация энергосистем
• Исследования в области электрохимии

Energy Systems Specialist (₽100-280k):

• Проектирование энергосистем БПЛА
• Анализ энергоэффективности
• Интеграция альтернативных источников энергии
• Консалтинг по энергетическим решениям

Safety Engineer (₽90-220k):

• Обеспечение безопасности энергосистем
• Разработка протоколов безопасности
• Сертификация и тестирование
• Расследование инцидентов

Специализации:

• Электрохимия и материаловедение
• Энергетические системы и технологии
• Промышленная безопасность
• Экологическая инженерия

Экспериментальные исследования:

• “Влияние температуры на характеристики различных типов батарей”
• “Оптимизация конфигурации батарейного блока для максимального времени полета”
• “Сравнительный анализ деградации батарей при различных режимах эксплуатации”
• “Разработка системы предиктивной диагностики состояния батарей”

Инновационные проекты:

• Гибридные энергосистемы (батарея + суперконденсатор)
• Беспроводная зарядка дронов
• Солнечные панели для увеличения времени полета
• Рекуперация энергии при снижении