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你需要了解的六个无人机电池基本知识 无人机的心脏

发表时间:2023-06-19 13:31

按电流供电和电信号走向,多旋翼无人机电动动力系统的组成包括电池、电调、电机和桨,即电池负责给全系统供电,电调接收飞控信号后调节电机转速,电机转动带动螺旋桨旋转产生飞行所需的升力。

锂聚合物动力电池

电池主要为无人机提供能量,有镍镉电池、镍氢电池、锂电池等。考虑到电池的质量和效率问题,多旋翼无人机多采用锂电池当中的锂聚合物电池,其包装样式如图3.1所示。

(1)概述

采用含有金属锂元素的材料作为电极的电池统称为锂电池,包括金属锂电池(早期,不可充电)和锂离子电池两种形式。和其他电池一样,锂离子电池的组成也包括电极和电解质等元素,如图3.2所示。

而锂离子电池又有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(LIP)两种形式,区别在于电解质的不同,前者使用的是液体电解质,后者则以聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。

1)优点

锂聚合物电池之所以被选为多旋翼无人机的主流动力来源,主要是基于其得天独厚的优势,具体表现在:

  1. 电压高:单块电池工作电压高达3.6 ~ 3.8 V,远高于镍氢和镍镉电池的1.2 V;

  2. 容量大:聚合物锂电池的容量密度是镍氢电池或镍镉电池的1.5 ~ 2.5倍,或者更高,超高的电池容量使其很早就成为笔记本电脑和智能手机的首选;

  3. 自放电小:在放置很长时间后其容量损失也很小;

  4. 寿命长:正常使用时的循环寿命可达到500次以上;

  5. 没有记忆效应:在充电前无须将剩余电量放空,使用方便(镍镉电池有记忆功能);

  6. 安全性能好,质量轻:聚合物锂电池在结构上采用铝塑软包装,有别于液态电芯的金属外壳,一旦发生安全隐患,液态电芯容易爆炸,而聚合物电芯最多只会气鼓,故保护线路设计可考虑省略PTC和保险丝,以节约电池成本;同时,铝塑软包装显然要比金属外壳轻得多;

  7. 厚度薄:聚合物锂电池厚度可做到1 mm以下,甚至能够组装进信用卡中。而普通液态锂电池厚度做到3.6 mm以下即存在技术瓶颈;

  8. 内阻小:聚合物电芯内阻较一般液态电芯小,极大地降低了电池的自耗电,不仅延长了手机的待机时间,更成为遥控模型的新选择;

  9. 形状可定制:可根据客户需求增加或减少电芯厚度,开发新的电芯型号,开模周期短,有的甚至可以根据手机形状量身定做,以充分利用电池外壳空间,提升电池容量;

  10. 放电特性佳:聚合物电池采用胶体电解质,相比液态电解质具有平稳的放电特性和更高的放电平台;

  11. 环境适应性强,绿色环保:可在-25 ~ 55℃工作,适合低温使用;同时,锂离子电池中不存在有毒物质,因此被称为“绿色电池”,国家重点扶持。

2)不足

  1. 电池成本高:因为电解质体系提纯困难;

  2. 需要保护线路控制:因为过充或者过放都会使电池内部化学物质的可逆性遭到破坏,从而严重影响电池的寿命。

(2)电池电压及其正确使用

电压表示电池正负极之间的电压压降。单节锂电池的有效电压区间一般认为是2.75~4.2 V,2.75 V以下认为是没有容量的,实际到3.0 V以下时电池就基本没有什么容量了。因此,正确使用时,应理解以下几个基本概念:

1)标称电压标称电压也称额定电压,目前工业生产的锂聚合物电池,其单体电芯(单节电池)的额定电压都是3.7 V。单节电池由满电电压到放电终止电压的放电过程中,电压值并不是线性的,而是一条曲线,如图3.3所示。刚开始放电时,电压降低的速度比较接近于线性变化,在3.7 V时逐渐平缓,并持续较长一段时间,而后电压又迅速降低。所以,3.7 V左右是单节锂聚合物电池的最佳使用区段。正因为如此,在实际工程应用中,通常将报警电压设置为3.6 V,最低不得低于3.5 V,以有效延长电池的使用寿命。

2)放电终止电压

达到该电压时放电自动终止,也就是电池将停止工作,一般为2.5 ~ 2.75 V,不同厂家设置该参数时可能略有不同。若低于该电压还继续放电则称为过放,会造成电池寿命缩短甚至失效。由于航空模型电池使用中有负载,电压会比静置时的测量值低,所以当负载停止后测量电压为2.8~3V时,那可能在使用过程中已经造成了电池的过放。最保险的使用方式,是使用后的测量电压在3.55V 以上,通常可以将实时电压报警器设置在3.5V左右。

3)满电电压

满电电压即单节电池充满电时的电压。满电电压一般为4.2 V,高于4.2 V时还继续充电即为过充,同样会影响电池使用寿命。

注意:无论是过充还是过放,都会造成锂电池内部激烈的化学反应,电池内部会产生气体而形成膨胀且不可复原,严重时甚至会燃烧、爆炸。因此,锂聚合物电池在充、放电时一定要严守安全操作规程,避免出现责任事故。

4)电池的“S”数和“P”数

为了让电池能获得更高的工作电压和电量,必须对单节电池进行串联或并联构成聚合物锂电池组,如图3.4所示。串联节数用S数表示,并联用P数表示。如3S1P表示3片单节电池串联,总电压是11.1 V,电量不变;而2S2P则表示2片单节电池先串联,然后两个这样的串联结构再并联,总电压是7.4 V,电量是单节电池的2倍。

动力电池的电压越高就可以驱动动力更强的电机转动。小型多旋翼无人机上使用的通常都是1S或2S锂电池,中型多旋翼无人机上使用的通常是3S、4S电池,而6S及以上的电池通常用在更大的无人机上。正常使用时,成品电池上都有两组线,如图3.5所示。其中的一组是两根粗的,用于电源输出,红正黑负;另一组细线是单节电池的引出线,用于平衡充电和电压检测,根数与电池组S数相关,2S时为3根,3S时为4根,6S时为7根,也是红正黑负。

5)电压报警器电压报警器俗称“BB响”,是一个低电压报警装置,用于检测电池组的总电压和每块电芯的电压,同时,当电压低于设定值时,会通过蜂鸣器发出响亮的报警声(提供低电压报警),常用于1S ~ 8S锂电池检测。报警电压设定通过电压调节按钮实现。如图3.6所示,实际使用时,把“BB响”正面拿在手上,靠近大拇指的第一根脚针即为负极,与电池上平衡头的第一个插口相对应,接通后会听到两次滴滴声,之后显示屏将会循环显示ALL总电压以及第X节单片电池电压。

(3)电池容量

容量是衡量电池性能的重要指标,决定了无人机的最长工作时间。聚合物锂电池的容量是指电池在一定放电条件下(放电倍率、温度和终止电压等)所能给出的电量,单位为A·h或mA·h。例如:容量为1 000 mA·h的电池,如果以1 A的电流放电,理论上可持续工作1 h,如果以500 mA的电流放电,则可持续放电2 h。但是因为电池放电并不是均匀的,所以实际使用时间和理论时间有一定差别。

①严格地讲,电池容量必须要指明放电条件,例如:在玩具车上不能用的电池说不定还能在石英钟上使用,因为两者的放电条件不一样;②电池容量和电池能量是两个不同的概念,电池容量乘以电池电压就是电池能量,单位为瓦时(W·h)。所以,电池容量的计量单位是A·h,而电池能量的计量单位是W·h。例如:乘飞机限制携带的电池为160 W·h。

(4)充/放电倍率

锂聚合物电池能以较大的电流充电或放电,而普通锂离子电池则不能,这是两者最重要的区别之一。电池在规定的时间内充入或放出其额定容量时所需要的电流值与额定容量的比值,称为电池的充/放电倍率,通常以字母C表示,它决定了电池充/放电的速率和时间长短。例如:1 200 mA·h的电池,用0.2 C放电表示放电电流为240 mA(1 200 mA·h的0.2倍率),理论上放电时间为5 h;若改用1 C放电,则放电电流为1.2 A(1 200 mA·h的1倍率),理论上可使用1 h。又如:1 000 mA·h电池用2 C快充,则充电电流为2 A(1 000 mA·h的2倍率),理论充电时间为0.5 h。切记:低充/放电倍率的电池不可大电流放电,否则电池会迅速损坏,甚至自燃;同理,充电时千万不要图快贸然用大电流,超过规定参数充电,电池很容易缩短寿命和损坏。

锂聚电池的充电方式采用定电压、变电流的方式,因为对于电压的要求相当精确,所以务必使用专用的锂电池平衡充电器。充电器的好坏会影响充电精度,从而影响电池的使用寿命。

锂聚电池的充电最佳电流为0.7C倍率,例如2200mAh(2.2Ah)的充电电流就是1.5A-1.6A(2.2Ah*0.7C=1.54A)。

目前大部分锂聚合物电池可以3~5C充电,虽然有快速充电的优点,但是依照锂聚电池化学反应特性,快速充电会减少电池的寿命,所以在时间充裕的情况下,建议以0.7C的倍率充电。另外如果采用并充版充电,充点前需测量电池电压,电压相同的一起充,充点前平衡好单块电池压差(一般小于0.03V),并充板无法自动平衡单块电池的电芯压差。

(5)电池内阻

电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力称为电池内阻,由欧姆内阻与极化内阻两部分组成,其大小主要受电池的材料、制造工艺和电池结构等因素影响。电池内阻对充/放电倍率影响较大,容量相同时,充/放电倍率越大则电池内阻越小,而减少内阻则意味着电池生产工艺及成本的提高,所以充/放电倍率越大电池越贵,同容量的30C电池价格可能是5C的3 ~ 4倍。另外请注意:电池内阻值大,会导致电池放电工作电压降低,放电时间缩短,科学的做法是按电池标定的参数,正确进行充/放电。

充电电池的内阻很小,一般用mΩ的单位定义它,需要用专门的仪器才可以测量到比较准确的结果。一般所知的电池内阻是充电态内阻,即指电池充满电时的内阻。与其对应的是放电态内阻,指电池充分放电后的内阻。一般来说,放电态内阻比充电态内阻大,并且不太稳定。电池内阻越大,电池自身消耗掉的能量越多,电池的使用效率越低,放电能力越弱。内阻很大的电池在充电时发热很严重,使电池的温度急剧上升,对电池和充电器的影响都很大。随着电池使用次数的增多,由于电解液的消耗及电池内部化学物质活性的降低,电池的内阻会有不同程度的升高。电池的内阻不是常数,在充放电过程中随时间不断变化,不是线性关系,常随电流密度的对数增大而线性增加。

(6)电池的日常保养

电池是保证无人机能正常起飞的关键因素之一,在大批量无人机飞行作业场景中如无人机编队表演、农林植保,电池保养特变重要。如何才能增加其使用寿命是人们关心的问题。电池的日常保养对电池使用寿命有重要影响。锂聚合物电池是一种化学电池,任何一种电池都有寿命,电池寿命的长短与电池本身的特性有关,也与日常的使用保养有关。理论上一个锂聚合物电池寿命一般为300~500个充电周期,但实际中并不能真正做到这样理想化的状态,每完成一个充电周期,电池的蓄电性能就会下降一点儿。不过,在正常周期内这个下降幅度非常小,高品质的电池充过多个周期后,仍然会保留原始蓄电能力的80%。这个正常周期会维持很长一段时间,一旦过了这个周期,电池的蓄电性能会大幅下降。电池的日常保养要注意以下事项。

  1. 正确使用可以延长锂聚合物电池的使用寿命。有些用户根据传统电池的使用经验,在新电池开始使用后充满电再放光电,以为这种方法能激活电池的最大潜力。还有些用户得到新电池后长期放置不用,以为只要没用过,电池的寿命就没有影响。对锂聚合物电池,这两种都是非常错误的使用习惯,深度放电对锂聚合物电池的寿命会产生严重伤害,一块锂聚合物电池只要深度放电2次寿命就终结了。在长期存放电池时定期地充电,在日常使用电池时避免电池电量完全放光,可以有效地延长电池寿命。

  2. 每次使用完电池必须等待完全冷却后才能重新充电,避免电池自身处在高温状态或在高温环境下充电。

  3. 长时间存放而不使用的电池,应保持电池总电量的70%。当处于未被使用的状态当中时,锂电池会有一个自动放电的过程。如果放电电压低于2.4V,会严重损坏电池,导致电池不能再使用。因此建议每隔3周检查电池或重新为电池充1次电。多功能电池检测仪可以正确地显示电池的状态。切勿满电存放超过48小时,满电的锂聚电池因为内部化学反应相当活跃,所以当满电状态存放太久,锂聚电池会自我老化,降低放电能力,最好的存放电压是保持在单片3.85V左右。

  4. 正确设置充电电流,过大的电流充电也会影响电池寿命,同时也不能完全充满。

  5. 电池只适合在室温下保存和使用,避免直接日晒、潮湿、远离高温,选择干燥、阴凉处摆放,建议使用防火袋或防爆箱保存。电池的温度在4℃以下时放电性能会下降,电池的温度在-10℃以下时会导致电池放电性能严重下降,甚至会导致电池完全不放电,所以应尽量避免将电池长时间在低温环境下放置。如果电池的温度较低,如冬天在室外的汽车中过夜,在使用前3h应将电池放到室温环境里放置,慢慢加温到20~40℃后再使用。如果多旋翼无人机在低温环境下飞行作业,应做好电池的保暖工作,如将电池放置在有暖气的汽车内或工作人员的怀里,在使用前的最后一刻再取出装在无人机上,一旦装上就要尽早起飞,让电池开始工作。电池放电过程中会产生热量,可以避免电池温度过低。但即使做好电池使用前的保温工作,-10℃以下的低温环境仍然会让电池的放电性能严重下降,在使用中需要特别注意。

  6. 避免在4℃以下的低温环境里对电池进行充电,太低的温度下电池有时甚至充不上电。但不必担心,这只是暂时状态,一旦环境温度升起来,电池中的分子受热,就马上恢复到以前的蓄电能力。

  7. 锂电池在35℃以上的高温环境下工作,电池的电量也会减少,电池的供电时间不会像往常那样长。如果在这样的高温环境下对电池进行充电,对电池的损伤将更大。长期在高温环境中存放电池,也会不可避免地对电池的质量造成相应的损坏。夏天在室外进行飞行作业时,一定要避免电池在阳光下暴晒。尽量保持在适宜的操作温度是延长电池寿命的好方法。

  8. 要想发挥电池的最大效能,就需要经常用它,让电池内的电子始终处于流动状态。如果不经常使用,请一定记得每月给电池大幅度充放电1次。

  9. 不要把电池放在有硬币或钥匙的口袋中,也不要放在雨后或结露的潮湿草地上,因为这些情况下有可能发生短路。

  10. 飞行时如果地面站电压告警,必须马上降落。即使只是暂时的电压告警,接着马上电压显示正常,也必须降落。因为受风等因素的影响,电压有时会暂时上升。



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