鋰電池在多旋翼無人機(jī)應(yīng)用中的特性

莊淡盛

摘要

當(dāng)前鋰電池的研發(fā)水平與制造工藝水平正在快速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)對(duì)鋰電池的放電特性有較多的研究。近年來無人機(jī)技術(shù)也發(fā)展迅猛，鋰電池成為電動(dòng)無人機(jī)動(dòng)力來源的重要選擇之一。電動(dòng)無人機(jī)在飛行過程中隨著飛行條件的變化，對(duì)鋰電池的能量輸出需求也隨之變化，也因此需要對(duì)無人機(jī)與鋰電池的適配進(jìn)行深入分析。本文通過對(duì)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到鋰電池在電動(dòng)無人機(jī)飛行過程中的放電曲線并與之對(duì)應(yīng)航時(shí)指標(biāo)，以此為根據(jù)得到無人機(jī)與之匹配的鋰電池選擇方法，并通過實(shí)驗(yàn)方式驗(yàn)證了電動(dòng)無人機(jī)在實(shí)際飛行時(shí)鋰電池的選擇。

【關(guān)鍵詞】鋰電池 充放電特性 無人機(jī) 測(cè)試

1 引言

無人機(jī)應(yīng)用大多追求大載重，長航時(shí)，高可靠性，因此對(duì)無人機(jī)電源的主要要求是既要能量密度高，又要功率密度大。鋰電池?fù)碛袃?yōu)良的放電特性，這使其成為電動(dòng)無人機(jī)領(lǐng)域最主要的動(dòng)力存儲(chǔ)單元。目前在商用無人機(jī)領(lǐng)域，鋰聚合物電池成為高性價(jià)比的無人機(jī)最理想的二次電源。

隨著無人機(jī)應(yīng)用市場(chǎng)高速發(fā)展，對(duì)無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求也越來越高，特別是航時(shí)指標(biāo)。電動(dòng)無人機(jī)在整個(gè)飛行包線中，各階段都可能出現(xiàn)大的動(dòng)力需求，特別是在任務(wù)末段。而隨著鋰電池放電過程的進(jìn)行，鋰電池放電能力趨于減弱，這對(duì)無人機(jī)飛行任務(wù)來說非常不利。因此在對(duì)電動(dòng)無人機(jī)配置合適容量的電池時(shí)，需要經(jīng)過細(xì)致考慮，讓各個(gè)飛行階段對(duì)動(dòng)力的需求都在鋰電池的輸出能力范圍內(nèi)。而在某些特殊使用條件下，無人機(jī)飛行時(shí)需要電源持續(xù)提供大功率輸出，如果只采用簡單的限壓報(bào)警裝置，則很可能會(huì)存在鋰電池出現(xiàn)過放電現(xiàn)象。

2 銼聚合物電池的一般放電特性

鋰聚合物電池具有額定的最大放電電流以及最小放電電壓，超出額定值時(shí)會(huì)對(duì)電池造成不可逆的損傷。在鋰聚合物電池的使用過程中，多數(shù)情況下是不經(jīng)意間出現(xiàn)過放電現(xiàn)象，多次累積之后便出現(xiàn)嚴(yán)重的性能損耗。如圖2所示。

2.1 放電C數(shù)與電池容量

鋰聚合物電池放電狀態(tài)有大C數(shù)放電和小C數(shù)放電兩種，其中放電C數(shù)表示電池放電電流倍率。設(shè)當(dāng)前電池剩余容量為Q₁，具有放電倍率為N的電池最大放電電流為1，則有：

I=Q₁*N（1）

對(duì)于設(shè)計(jì)容量為Q₀的電池，放電時(shí)間t，瞬時(shí)電流I（t），己消耗的電量Q₂有：

由等式（1）和（2），對(duì)于特定的電池，其放電能力與放電C數(shù)有關(guān)，也與電池剩余電量相關(guān)，放電C數(shù)越大，大電流放電能力越強(qiáng)，而同一塊電池剩余電量越多，大電流放電能力也越強(qiáng)。

2.2 鋰聚合物電池放電曲線

為了解鋰聚合物電池的一般放電特性，使用功率測(cè)試儀對(duì)試飛用的鋰聚合物電池（容量為2.2Ah）進(jìn)行放電測(cè)試（恒定1C、10C放電倍率持續(xù)放電，重復(fù)多次），鋰聚合物電池前期放電壓降較為平緩，當(dāng)放電過程接近末尾時(shí)，電壓出現(xiàn)陡降。如圖3所示。

3 鋰電池在多旋翼無人機(jī)應(yīng)用中的放電特性

3.1 電動(dòng)無人機(jī)應(yīng)用用對(duì)鋰電池容量的需求

無人機(jī)按飛行方式可分為固定翼無人機(jī)以及旋翼類無人機(jī)，兩類無人機(jī)對(duì)動(dòng)力供電系統(tǒng)的要求都是：大爆發(fā)功率，持續(xù)不斷的電能輸出。多旋翼無人機(jī)在整個(gè)飛行階段，都需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)提供不小于整機(jī)重量的升力，動(dòng)力輸出大小取決于整機(jī)重量以及飛行過載。電動(dòng)無人機(jī)在飛行時(shí)要不停地對(duì)飛行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，為了讓電池的功率輸出能快速響應(yīng)飛行器的飛行狀態(tài)變化，其應(yīng)該有足夠大的放電C數(shù)。而大C數(shù)電池意味著電極厚度更薄，導(dǎo)電涂層面積變大，其重量也相應(yīng)加大。

在對(duì)無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)等式（1），電動(dòng)無人機(jī)飛行末段電池電量己被消耗一部分，此時(shí)若要保證飛行需要的動(dòng)力輸出，電池設(shè)計(jì)容量應(yīng)為：

其中：

I（t）≤Q₁*N（4）

等式（3）中的積分部分表示不同的飛行任務(wù)段消耗電量之和，即電池總耗電量。

結(jié)合等式（3）和等式（4），就可以得到電動(dòng)無人機(jī)所需要的最小電池容量Q₀。

3.2 多旋冀飛行試驗(yàn)

為了充分了解鋰電池在多旋翼無人機(jī)應(yīng)用中的特性，為此進(jìn)行了10次飛行試驗(yàn)，采集航時(shí)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)電池放電曲線，并對(duì)兩者進(jìn)行分析。

試驗(yàn)采用深圳市愛科普電子有限公司生產(chǎn)的3串2.2Ah鋰聚合物電池，飛行平臺(tái)為深圳大疆創(chuàng)新F450機(jī)架，動(dòng)力系統(tǒng)使用南昌三瑞模型有限公司2213動(dòng)力套裝，飛行控制系統(tǒng)使用PixHawk開源飛控系統(tǒng)。使用這套系統(tǒng)進(jìn)行多旋翼無人機(jī)飛行過程對(duì)電池供電需求情況的研究。

飛行試驗(yàn)在田徑場(chǎng)進(jìn)行，任務(wù)規(guī)劃設(shè)置了8個(gè)航路點(diǎn)（圖5），航路點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1。試驗(yàn)用電池在一個(gè)航程結(jié)束后剩余約40%電量，試驗(yàn)過程無過放電。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

試驗(yàn)飛行包括起飛，爬升，平飛，懸停以及降落幾個(gè)階段。圖7中各個(gè)標(biāo)號(hào)代表各個(gè)航路點(diǎn)，綠線表示電池的輸出電流值，紅線代表飛行高度數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，多旋翼無人機(jī)在整個(gè)飛行過程中，有多處出現(xiàn)電流值的波動(dòng)，如起飛爬升段和各個(gè)航線轉(zhuǎn)彎處。分析飛行數(shù)據(jù)有如下六個(gè)特點(diǎn)：

（1）起飛階段由于爬升需要，電池輸出功率較大;

（2）拐彎處因姿態(tài)及飛行速度改變，電池輸出功率比平飛階段大;

（3）降高結(jié)束處要停止降高，相比平飛狀態(tài)電池輸出功率會(huì)增加;

（4）前飛并緩慢降高時(shí)電池輸出功率與平飛階段相當(dāng);

（5）無人機(jī)懸停與勻速平飛相比，電池輸出功率更大;

（6）飛行末段由于電池壓降的原因，為保持輸出功率，電池輸出電流值整體上有所提局。

如圖8所示，5號(hào)航路點(diǎn)是一個(gè)延時(shí)懸停點(diǎn)，平均電流值大于勻速平飛狀態(tài)的平均電流值，這是由于在平飛狀態(tài)下螺旋槳受來流作用，槳盤產(chǎn)生一定的額外升力所致。

綜合試飛結(jié)果可以看出，雖然無人機(jī)在任務(wù)末段的功率需求依不同的任務(wù)需求而定，但由于電池壓降的影響，對(duì)電池輸出電流的整體需求都有增大。在設(shè)計(jì)電動(dòng)無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，常常使用飛行需求總能量來進(jìn)行電池容量估算，或者使用平均功耗算出平均電流，這可能導(dǎo)致飛行末段出現(xiàn)瞬時(shí)輸出功率不足的問題。設(shè)計(jì)電池規(guī)格時(shí)應(yīng)該知道在時(shí)間t處飛行器準(zhǔn)確的功率需求，這樣才能準(zhǔn)確地估算需要的電池剩余容量。對(duì)于無人機(jī)的飛行任務(wù)，預(yù)先設(shè)定各個(gè)任務(wù)段的飛行情況，再根據(jù)各個(gè)飛行任務(wù)段的功率需求，據(jù)此了解總體電量需求情況。多旋翼無人機(jī)除了在不同任務(wù)段會(huì)有不同的功率需求，在任務(wù)末段還要考慮有足夠的抗擾動(dòng)的動(dòng)力輸出能力。

4 總結(jié)

本文通過對(duì)鋰聚合物電池的放電特性進(jìn)行分析，并通過無人機(jī)飛行試驗(yàn)，得到鋰電池在無人機(jī)飛行過程中的放電曲線，得到以下結(jié)論：

（1）為了在飛行末段電池仍有較大輸出爆發(fā)力，應(yīng)使用高放電C數(shù)電池，而小C數(shù)電池會(huì)出現(xiàn)無法放出剩余電量的情況;

（2）根據(jù)鋰電池放電平臺(tái)特點(diǎn)，在多旋翼無人機(jī)應(yīng)用中必須避免過度消耗電池電量，輕則容易鼓包（如圖2），重則可能導(dǎo)致無人機(jī)失控墜落;

（3）多旋翼無人機(jī)在飛行過程中對(duì)電能的需求并不平穩(wěn)，當(dāng)飛行狀態(tài)出現(xiàn)變化時(shí)，對(duì)電能的需求也隨之變化;

（4）為多旋翼設(shè)計(jì)鋰電池容量時(shí)，應(yīng)充分考慮飛行末段可能出現(xiàn)的飛行狀態(tài)波動(dòng)，此波動(dòng)對(duì)電能需求的變化不能超出電池放電能力。

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