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无人机基础知识之锂电池篇

 

第一(yī)章(zhāng):锂(lǐ)电池的特点

锂电池,这里讲的主要(yào)是锂聚合物电池(chí),歪果仁喜(xǐ)欢叫它Lipo( 来自Lithium Polymer),其实这是错误的(de),它的全名叫(jiào)锂离子聚合物(wù)电池 (Lithium Ion Polymer)这是一种(zhǒng)可多次充(chōng)电(diàn)的电(diàn)池,他的发明在过去的(de)十(shí)年间可谓(wèi)是对航模界起了翻天覆地的变化,它基本上淘汰了锂离(lí)子电池(Li-Ion),磷(lín)酸铁(tiě)锂电池(chí)(LiFe), 镍氢(qīng)电池(Nimh),镍镉(gé)电池(Ni-CD),尽管现在这些电池(chí)现在在航模界继续(xù)发挥着其他(tā)的方(fāng)面的作用(比如(rú)Nimh作为舵机(jī)电(diàn)池有长期维持电压的特点),但(dàn)是(shì)锂聚合物电(diàn)池(接下来我们(men)都简称锂电池)基本上靠(kào)着下面的三个个优点完胜他们成为大部分模友的首选。

优点1:锂电池有着(zhe)非常轻的重(chóng)量,并且可以做成任何尺寸;

优点2:锂(lǐ)电池(chí)有(yǒu)着非常大(dà)的体积,容量比极(jí)高;

优点3:锂电池的放点(diǎn)率非常(cháng)高,这点非常(cháng)适(shì)合短时间需(xū)要(yào)大能量的无刷电机。

这些优点(diǎn)可(kě)能放在船模车模里面还(hái)不会是特别明(míng)显,但是放在无人机里面,他的存(cún)在(zài)直接(jiē)等于可以飞或者不(bú)可以飞的区(qū)别(bié)。但(dàn)是锂电池也有他(tā)的弱点。比如:

弱点(diǎn)1:价格(gé)对(duì)于镍氢电池和镍镉电池还是有些贵(guì) 不过随着生产(chǎn)厂(chǎng)商的增加和技(jì)术的进步,现在已(yǐ)经在开始降价啦

弱点2:寿命(mìng)短。一块普(pǔ)通锂电(diàn)池从出厂(chǎng)到报废最(zuì)多有300次到500次的充电次(cì)数,但是(shì)这个数字的(de)上(shàng)下限(xiàn)会因你充电(diàn)和使用的方(fāng)法而(ér)增加或者减少,我将在将来(lái)的章节讲到。

弱(ruò)点3:使用不稳定。由于锂电池(chí)的(de)高体(tǐ)积:容量比(bǐ),已经它(tā)所采用的(de)电解(jiě)质非常不稳定,一块锂电池(chí)可以在(zài)充电和放(fàng)电的时候起火甚至爆炸。

弱点(diǎn)4:高维(wéi)护成本。和其他(tā)电(diàn)池相(xiàng)比,锂(lǐ)电池(chí)如果要走完它人生(电生(shēng)??)完整过程,需(xū)要使用者不仅使用时候处处留心,还(hái)必须严(yán)格按照说明(míng)来控制储(chǔ)存房间的温(wēn)度(dù)。

要进一步了解为什么锂电池(chí)有这些特点,我们(men)就不得不说(shuō)说他的(de)构造(zào)和工作原理。

我们知道一(yī)块电池都有正(zhèng)极和负极,而负(fù)责锂(lǐ)离子在(zài)正(zhèng)负(fù)两极之间的交换工作的是电解质。和使用液态(tài)电解(jiě)质的锂离子电池不(bú)同,锂电池使用(yòng)的是干电解质,正负两(liǎng)极由(yóu)一(yī)张像是烤箱里面用的锡箔纸一(yī)样的(de)聚合物纸隔开,这也是(shì)锂聚合(hé)物电池名字的缘来。和锂(lǐ)离子电池必(bì)须(xū)要(yào)在一个铁盒子里面不同,锂电池可以(yǐ)牺牲厚度来换取面积(jī),或者牺牲面积来(lái)换取厚(hòu)度(dù),所以在应用方面(miàn)非常适合寸土(tǔ)寸金的航模飞机(jī)。

当时这个设计的问题(tí)就是锂离子通过干电解(jiě)质聚合物的交换其实是(shì)不够(gòu)快的,这也是为什么(me)锂电池在普通室温下(xià)不(bú)可以快充的原因。当然如果你要把(bǎ)它放一热水袋上面充(chōng)电的话,理论(lùn)上是可以根据(jù)温度快充的。

我们(men)知道,一块电(diàn)池在(zài)冬天的时(shí)候使用会(huì)非(fēi)常不给力,而在(zài)兜里暖和了以后会(huì)施放(fàng)出更多的能量。同理,假设外部(bù)温度不变,一(yī)块使(shǐ)用(yòng)锂电池的飞(fēi)机(jī)在飞了一分钟以后会发现飞得更快,这正是因为电池内部(bù)的锂离子在正负极交换一(yī)段时间以(yǐ)后的效率随着电池化学(xué)反应而增加了。当(dāng)然,也不是说越热越(yuè)好(hǎo),一个检查动力装(zhuāng)置效率的最(zuì)简单(dān)的办法(fǎ)就是落地以后检查电(diàn)池温度(dù)。如果电池是温热的,就没有问(wèn)题,如果电池烫手,那么就表(biǎo)示锂离子活动过快,很有可能是(shì)桨太大了,电机无法跟上。

第二(èr)章:锂电池参数(shù)详解(jiě)

1)电压

锂(lǐ)电池的基本(běn)组成是单位,也(yě)就是大家常常听说的S,比如一般常用(yòng)的电池(chí)3S,就是表明它(tā)是(shì)由3个单位组成的。锂电(diàn)池的一个单(dān)位(wèi)标准电压是3.7伏,所以一个3S的电压就是11.1伏。3.7付一个单位(wèi)的锂电池比起镍电池的(de)1.2伏,说明了它可以使用(yòng)相对简单的内(nèi)部构造来达(dá)到更高的电压。

平行(háng)电路(Parallel)和串流(series)电(diàn)路的区别?市(shì)面上大部分(fèn)超过1S的电池都(dōu)串联(lián)的,比如(rú)一块3S的就是三(sān)个1S串联(lián)组合而成的。

偶(ǒu)尔有些比较贵的电池比如Gens Ace就是平行(háng)的(de), 例如上面标(biāo)有4S2PP就是平行的缩写)的一块2400毫安的电池,就是由两块(kuài)4S1200毫安电(diàn)池平行连接起来(lái),而达到更高的容量的。

一般(bān)1-1.5米的泡(pào)沫(mò)模型飞机需(xū)要配套3S11.1伏)-4S14.8)的电机,2米以上的轻(qīng)木(mù)需要(yào)配套(tào)6S(22.2)-8S(29.6伏(fú))的(de)电(diàn)机才(cái)能(néng)带动(dòng)。再往上走还(hái)有37伏(fú)的10S44.4伏的12S.当然,由(yóu)于锂电池(chí)的可(kě)搭建(jiàn)性很强,你(nǐ)自己也可(kě)以在(zài)上面这些数(shù)字上面(miàn)串联搭(dā)建(jiàn)20S,24S的(de)电池(chí),或者平行(háng)连接来加倍已有电池容量(liàng)。不过超过了12S以后的航模电机就非常难买到了。

2)容量

电池上面(miàn)标示的容量,指的(de)是xxx毫安/时(shí),有的时候也(yě)是安/时,1=1000毫安。 很多同学会对这个小时感到困惑,理解为这(zhè)块电池的使用时间,其实毫安/时(shí)指的是这块电池在一(yī)小时内可以被充放的最大容量。举个(gè)例子来说,一块2500毫安/时的(de)电池可以被某(mǒu)个耗电2.5安的器材在一个小时(shí)内(nèi)使用殆尽,被一个(gè)耗电1.25安(ān)的器材在2小时内使用殆尽(jìn),或者(zhě)被(bèi)一个耗电0.5安的器材在5小(xiǎo)时内耗尽能(néng)量。

我们平时使(shǐ)用的电(diàn)机往往有着非(fēi)常高的耗电量,比如(rú)说(shuō)我们现(xiàn)在手里有一块(kuài)28-26 1000KV / 235W 的电机,查看他的数(shù)据表,发现(xiàn)最大耗电量15安,那么就(jiù)是说上面一(yī)块2500毫安/时的电池,在最大油门的时候,只能支撑这块(kuài)电机2.5/15 =0.166, 也(yě)就是(shì)60*0.166=9.96分钟。实际飞(fēi)行的时间当然(rán)不可能就是这个,因为你不可能一直满油并且锂电池(chí)也不(bú)能完全用到0%。总之,知道这个方法可以方便你在(zài)给模型配套电池的时(shí)候做出(chū)载(zǎi)重(chóng)和飞行时间最大比的决定。

3)放电率

锂电(diàn)池的(de)放(fàng)电率称为 C rating。这个(gè)参数是锂电池参数里(lǐ)面(miàn)最难(nán)理解的,所以我放在最后讲。

简单来说,C rating值是对(duì)应一个电池能够在多快的时间(jiān)内被完全耗尽。这个数值越高(gāo),它的放电(diàn)率也就(jiù)越高。常见的电池C值有20C25C40C75C等。

又来(lái)举(jǔ)例说明(míng),一个上面标有10C1000毫安锂电池,它的最快放电(diàn)速度就(jiù)是10倍它的容(róng)量/时(shí),也就(jiù)是说,假定它的容量是1000毫安/时,那么它的(de)最大(dà)能耐就是以(yǐ)每分钟耗电10/60分(fèn)钟,也就是166毫安的速度给一个最大耗(hào)电率为10A的器材配电6分钟,如果是20C,这个器材则最(zuì)大耗电可能(néng)是20A,可(kě)以以20A/60=333毫安/分(fèn)钟为(wéi)它(tā)供电3分钟。

一般固定翼无人机除了在起飞时刻特别需要(yào)高放电率以外,平时如果(guǒ)不做特技的话,不大需要高C值(zhí)的电池。20C-40C的电(diàn)池(chí)足以应付(fù)。但是(shì)如果(guǒ)你玩多旋翼特别是穿越机的话,油门起伏非常大(dà)的时(shí)间需(xū)要(yào)高C值(zhí),不然你会发现你(nǐ)明明飞的(de)很好,电量还有一半多,但(dàn)是一(yī)个翻滚以后就(jiù)无法提升高度,甚(shèn)至炸机了(le)。

基本上所有(yǒu)的锂(lǐ)电(diàn)池(chí)的C rating后面还有(yǒu)一(yī)个burst rate,就翻译为爆发值吧,一般是2倍。比如一个20C的电池的爆发C rating就是40C。这是电池在高需求情况(kuàng)下能在几秒内(nèi)提供的(de)做(zuò)大电源。

C值越大的电池价格也(yě)就越贵,建议购买的时(shí)候无论如(rú)何都要(yào)在自己钱包(bāo)允许的(de)前(qián)提买最大(dà)的,而(ér)选了10-20C的(de)包你后悔(huǐ)。你有可能会炸机,也有可能会发现突然有一天你充电时(shí)候或者飞完下地电池就鼓包(bāo)了,那就不好玩了。

第三章:锂电池安全

有人称(chēng)锂电池为航模炸弹,这个说法一点都不为过,在我的航模(mó)生涯已经(jīng)见证过无数次锂电池使用不当而照成的(de)起火甚至爆炸了空中解体。国外(wài)甚至还有人因为锂电池充电把整个(gè)家都(dōu)烧得精光(guāng)。

1)锂(lǐ)电(diàn)池温度

锂电(diàn)其实是(shì)一个非常娇气的元件,对温(wēn)度(dù)有(yǒu)很多要求,尤其是热的时候,无论(lùn)充电或(huò)者储存,都注意要(yào)尽(jìn)量避免阳光直(zhí)射。换(huàn)句话说,在热带地区的锂电池从(cóng)一出生(shēng)就注定寿命不(bú)会长(zhǎng)过其他温带地区的电池。

不仅(jǐn)如此,随着电(diàn)池的寿命慢慢耗尽,电池内的电阻会慢慢变得更大,不仅使(shǐ)得充(chōng)电放电时间加长,也使得(dé)电(diàn)池变得越来越热(rè)。一般一块电(diàn)池使用(yòng)完毕以后温度不(bú)会变化太大,如果你使劲儿满油门飞,它(tā)也最多不(bú)会超过(guò)35-40度,这是一个安全(quán)点(diǎn)。如果飞下(xià)来发现电池有以下这些情况,建(jiàn)议你不要(yào)再(zài)用(yòng)了。

1. 电池烫手,温度超过了(le)50度;

2. 飞行的时候(hòu)明显(xiǎn)发现(xiàn)还(hái)有20%以上的电量,但是电压明显(xiǎn)下降(jiàng);

3. 仔细看(kàn)电池包装发现有(yǒu)泡泡在缝(féng)隙中出现。

这时候也请不(bú)要把报废的锂(lǐ)电池(chí)扔到垃圾桶,正确且简(jiǎn)易的(de)处(chù)理步骤如(rú)下:

找(zhǎo)一个盆子注满水(shuǐ),里(lǐ)面按(àn)照大概40-50:1的比例加盐,然后(hòu)把(bǎ)电池泡(pào)进去几(jǐ)天,然后再提出(chū)来扔掉,这样就(jiù)不会引发火(huǒ)灾了。这个做法的原理是盐有导电的性质,电池在盐水里面会慢慢放电(diàn),直到所(suǒ)有锂电(diàn)池单元都降为0伏(fú)。

280% 定律(lǜ)

一块锂电池的储存安全(quán)电压应(yīng)该(gāi)是在3.85伏,建议你(nǐ)一定只有在使(shǐ)用前才充满到4.2伏。无(wú)论怎么(me)使用,请(qǐng)一定不要让它的(de)电压(yā)降到3.5伏(fú),因为到哪(nǎ)个时候你(nǐ)的电池会(huì)非(fēi)常烫手而(ér)且寿命已经急剧减短。

一(yī)个安(ān)全的使用办法就是,永远不要(yào)使用超过80%的电量(liàng),也(yě)就是说,使用完了(le)下(xià)来你也(yě)应(yīng)该还有20%的电量(liàng),这个(gè)时候(hòu)的单个单(dān)位电压应该是3.75左(zuǒ)右(yòu),比如一块2500毫(háo)安的3S电池,它(tā)被使用了80%的毫安以后(hòu),应该还(hái)有(yǒu)500毫安,整块电(diàn)池(chí)的电(diàn)压应该是11.25伏。

【小(xiǎo)贴士:如果你要知道你电池精确的电量和电压值的话,一定要在航模下(xià)来立即就测量,如(rú)果你多等几分钟,电池在无(wú)压的(de)情况下,电压会慢慢回升。这也是为(wéi)什么永远不要飞一(yī)块用过的电池(chí)的原因,因为你无法读取它(tā)真实的数据】

锂(lǐ)电三秘籍(jí):

— 唯(wéi)有(yǒu)在出发之(zhī)前才充(chōng)电

— 使用时(shí)候千万别超过80%的电量

— 电池如果超(chāo)过3天不用的要充(或者放电)到3.85伏一(yī)个单元(很多(duō)充电(diàn)器都(dōu)有这个功能)

3)内部电阻

锂电池(chí)不像(xiàng)食(shí)物,上面标有过期日,如果别人(rén)卖你(nǐ)一块电池告诉你是新的,你(nǐ)怎么知道是真是假?查查电(diàn)阻就(jiù)明白了。

大部(bù)分35C以上的正版(bǎn)电池出厂的(de)时(shí)候各个单(dān)位有1-5毫(háo)欧(mOhm)的电阻,如果是(shì)一块3S电池,就(jiù)是大概3-15毫欧。

【说明:由于生产工艺的限制,很多100-200毫安的(de)微小锂电池在出厂的时候内部电(diàn)阻就是(shì)100或者200毫欧,但(dàn)是绝大多(duō)数的2000毫安以上的新电池内部(bù)电阻应该在10-30

随着电池的(de)使用次(cì)数增加或者储存时间的增长,锂(lǐ)电池的内部(bù)电阻也(yě)会(huì)慢慢变大,而且这个变(biàn)化是不成比例的(de),比(bǐ)如一块电池在头一年只有35欧(ōu)姆的电阻,但是到了第二年是50欧姆,可再(zài)等一个月就变成了100欧姆,再过一个月就300欧姆了。

那(nà)么这些数字(zì)到(dào)底有什么实际意义(yì)呢?我(wǒ)们分四组情况

a) 每单位内部电阻1-5欧姆的锂电(diàn)池是块少女电(diàn)池

b) 每单位内部电阻(zǔ)5-10毫欧的锂电池应该是被使用过大概(gài)十几二十(shí)次,性能不受电阻影响

c) 每单位内部(bù)电阻10-20毫欧(ōu)的锂电池已(yǐ)经是在熟女和黄脸婆之间了

d) 每单(dān)位内部(bù)电阻(zǔ)20-25毫欧的电(diàn)池快(kuài)断气了,续弦吧(ba)

【提醒:还记得第二(èr)章(zhāng)的平(píng)行电路和串(chuàn)联电路吧,在计算一块电池电阻的时候不(bú)要忘了先检(jiǎn)查一下是哪种,大部分电池都是串联的,这情况大家把(bǎ)每(měi)个单位的内部电阻(zǔ)加起来(lái)就是整块电(diàn)池的(de)内部电阻了。如果是碰到平行的(平行电路的电池会标(biāo)示 xSxP),读取的单独单位内部电阻就选(xuǎn)最大的一(yī)个】

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