Dans quelle mesure la revendication d'une solution de batterie de 200 kW est-elle plausible?

Suite à cette question postée sur Aviation: SE:

• Le hoverboard ARCA viole-t-il les limites connues des ventilateurs électriques de petit diamètre?

qui est lié à une planche en vol stationnaire décrite sur le site du vendeur :

^{( source )}

Je voudrais évaluer l'affirmation selon laquelle cet appareil existe vraiment. Je me demande en particulier s'il est possible d'utiliser les batteries pour délivrer 200 kW comme revendiqué. Je n'essaie pas d'évaluer les aspects aérodynamiques.

Je ne vois pas quelle technologie pourrait être utilisée autre que les cellules Li-ion. En supposant que cela soit vrai, cette solution serait-elle compatible avec les caractéristiques revendiquées:

• Puissance délivrée: 200 kW,
• Durée: 3 min pour un utilisateur de 110 kg, à 6 min pour un utilisateur de 82 kg,
• Temps de charge: 6 heures, réduit à 35 min à l'aide d'une station d'accueil.

En tenant compte des caractéristiques Li-ion avec la connaissance d'un ingénieur électricien, y a-t-il un aspect qui empêcherait cette solution de fonctionner, par exemple:

• Poids, volume des batteries (la planche mesure 145 × 76 × 15 cm),
• Taille des fils (il y a peu de place disponible dans la boite),
• Courant de charge (est-il possible de charger en 35 min),
• Temps de décharge (les cellules permettraient-elles d'être déchargées en 3 à 6 min),
• Coût (le remplacement des piles est offert à 6 840 $).

Aucune spéculation s'il vous plaît, mais des faits connus qui contrediraient ou soutiendraient certainement la possibilité de la solution. Par exemple, je pense que ces déductions sont correctes:

• Pour un vol stationnaire de 3 min, avec 200 kW, environ 10 kWh sont utilisés.
• En raison de l'énergie et de la densité spécifiques du Li-ion, cela signifie 40 kg et 14 dm3 pour les batteries.
• Prix ​​des batteries: Avec un 0,40 $ / Wh optimiste, ce serait 4 000 $.
• Charger 10 kWh en une demi-heure nécessite un chargeur de 20 kW.
• En supposant que cos φ = 1, cela signifierait 91 A pour 220V (bien au-delà de ce que l'on trouve généralement à la maison), et 5000 A pour la tension de la cellule Li-ion (cela nécessiterait de gros fils qui ne sont pas visibles sur l'image).

203 kW / 36 ventilateurs = 5,6 kW par ventilateur.

Une tension de travail de 38 V implique 10 S Lipo (3,8 V par cellule).

5,6 kW / 38 V = 150 A. Nous voulons 3 minutes à pleine puissance. À mi-puissance, il tirera 75A pendant 6 minutes (durée max). Une capacité de batterie supérieure à 150 * (3/60) ou 75 * (6/60) = 7,5 Ah par ventilateur sera requise.

Peut-on le faire?

On dirait que les ventilateurs de 120 mm de diamètre s'adapteront à l'espace prévu. Voici un ventilateur de 120 mm qui pèse 1 kg et produit une poussée de 7,5 kg sur 12S: -

120mm 11 lames en alliage EDF 700kv - 7000watt

Sur 10S, il consomme environ 30% de puissance en moins et produit environ 15% de poussée en moins, alors disons 5 kW et 6,5 kg (les ventilateurs qu'ils utilisent peuvent avoir des moteurs différents, mais nous pouvons nous attendre à des performances similaires au même niveau de puissance).

Et voici une batterie 10S 4Ah qui pèse 905g: -

Pack Lipo Compact 4000mAh 10S 25C ZIPPY

La carte semble utiliser un total de 72 batteries - deux batteries par ventilateur. 2 x 4Ah = 8Ah, proche de notre capacité requise. Le taux de décharge maximum est de 4 x 25C = 100A par batterie ou 200A par paire parallèle (et nous n'avons besoin que de 150A!). Le taux de charge maximum est de 5C, bien au-dessus du taux de 2C requis pour une charge de 35 minutes. À 67 $ par paquet, le coût total de la batterie est de 4824 $.

Nos 72 batteries pèsent 905g x 72 = 65kg. Les 36 ventilateurs pèsent 36 kg. Ajoutez 10% supplémentaires pour les ESC, le câblage et la structure de support, et nous obtenons un poids total de la carte d'environ 110 kg. Cette planche devrait générer 6,5 kg x 36 = 234 kg de poussée à l'air libre. À mi-puissance, la poussée serait réduite à environ 75%, mais pourrait être augmentée par effet de sol - donc peut-être 210 kg de poussée de «durée» en vol stationnaire. Otez le poids de la planche et vous avez une capacité de charge utile de 100 kg.

Semble possible!

Je voudrais évaluer l'affirmation selon laquelle cet appareil existe vraiment. Je me demande en particulier s'il est possible d'utiliser les batteries pour délivrer 200 kW comme revendiqué.

1) Le poids de la batterie nécessaire pour alimenter ArcaBoard pendant 2,4 minutes est réaliste. Par exemple, si nous utilisons des batteries de type Tattu 22,2 V, 22 Ah, 488,4 Wh, 25 C, poids = 5,8 lb, nous obtenons 43,7 kg pour la masse totale du pack nécessaire pour générer 272 ch pendant 60 min / 25 = 2,4 min ( proche de ces 3 min réclamées par ARCA):

2 x 5,8 lb x 272 ch / (22 A x 44,4 V x 25) = 43,7 kg

Même en considérant 38 V au lieu de 44,4 V, la masse totale du pack passera de 43,7 kg à 51 kg, ce qui laisse 31 kg supplémentaires pour le poids de la planche, des ventilateurs gainables et d'autres accessoires (ArcaBoard pèse 82 kg). Le principal problème n'est pas le poids des batteries mais l'inefficacité énorme des ventilateurs canalisés utilisés par ARCA. Ils sont totalement inadaptés à la planche Arca comme expliqué au point (2).

2) La poussée statique théorique maximale qui peut être obtenue avec un ventilateur électrique conduit caractérisée par: Diamètre = 120 mm et Puissance = 272 ch / 36 = 5,63 kW est:

(1,2 kg / m ^ 3 x (5,63 kW) ^ 2 x pi x (120 mm) ^ 2/2) ^ (1/3) = 9,7 kgf

(J'ai utilisé la formule qui donne la poussée statique maximale possible en fonction de la puissance et du diamètre de l'hélice. L'efficacité globale est considérée comme 100%. Pour des rendements réalistes, inférieurs à 1, la puissance n'est pas de 5,63 kW mais de 5,63 x efficacité )

Comme vous le voyez, 36 ventilateurs, qui attirent un total de 272 ch, peuvent soulever en théorie 9,7 kg x 36 = 349 kg, bien au-dessus des 192 kg d'ArcaBoard (y compris le poids du pilote). Aucune limite n'est violée.

Cependant, la configuration avec des rotors de 36, 120 mm de diamètre est mauvaise car la même formule que j'ai utilisée ci-dessus dit qu'une seule hélice de 26 pouces propulsée par un moteur de 5,63 kW génère:

(1,2 kg / m ^ 3 x (5,63 kW) ^ 2 x pi x (26 pouces) ^ 2/2) ^ (1/3) = 30 kgf

En conséquence, huit moteurs de 5,63 kW, tournant des hélices de 26 pouces, ne tireront que 45 kW (60,4 ch) et lèveront 240 kg, plus que la masse maximale d'ArcaBoard en vol.

Les hélices de petit diamètre sont tout simplement inefficaces pour générer une poussée statique. C'est la raison pour laquelle les hélicoptères ont de gros rotors. Les planches en vol stationnaire comme ArcaBoard, également parfaitement réalisables, n'ont pas d'avenir car elles gaspillent une énorme quantité d'énergie .

3) Un hoverboard électrique bien conçu et construit a été fabriqué par CA Duru. Il nécessite considérablement moins de puissance que ArcaBoard et vole beaucoup mieux.

Une comparaison entre l'hoverboard de Catalin Alexandru Duru (voir: la vidéo) et celui réalisé par Dumitru Popescu de ARCA.

Vidéo: https://www.youtube.com/watch?v=Bfa9HrieUyQ

Le hoverboard de Catalin Alexandru Duru

• 8 rotors de 4,5 kW chacun
• Puissance totale: 36 kW = 48,3 ch
• Charge utile: 1 personne

L'hoverboard de Dumitru Popescu

• 36 rotors, 5,63 kW chacun
• Puissance totale: 203 kW = 272 ch
• Charge utile: 1 personne

En conclusion, ArcaBoard n'est rien d'autre qu'un hoverboard mal conçu qui nécessite une puissance énorme, 272 ch, pour transporter un homme tandis que 48,3 ch suffisent pour un tel travail, comme l'a démontré CA Duru.

Source: Un multicoptère avec 36 hélices qui transporte un homme