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无人机基(jī)础(chǔ)知识之(zhī)锂电池篇

 

第(dì)一章(zhāng):锂电池的特点

锂电池,这里讲的(de)主要(yào)是锂(lǐ)聚合物电池,歪果仁喜(xǐ)欢叫它(tā)Lipo( 来自Lithium Polymer),其实这是错误的,它的全名叫锂(lǐ)离(lí)子(zǐ)聚合物电池 (Lithium Ion Polymer)这是一种可(kě)多次(cì)充(chōng)电(diàn)的电池,他的发明(míng)在过(guò)去的(de)十年间(jiān)可(kě)谓是对航模界起了翻天覆地的变化,它基(jī)本上淘汰了锂(lǐ)离子电池(chí)(Li-Ion),磷酸铁锂电池(LiFe), 镍氢电池(Nimh),镍镉电池(chí)(Ni-CD),尽管现在(zài)这些(xiē)电池现在在航模(mó)界继续发挥着其他(tā)的方面的作用(比如Nimh作为(wéi)舵机电池有长(zhǎng)期维持电(diàn)压的特(tè)点),但(dàn)是锂聚合物电池(接下来我们都(dōu)简称(chēng)锂电池)基本上靠着下面的三个个优点完胜(shèng)他们成为大部分模(mó)友(yǒu)的(de)首选。

优点1:锂电池有着非常轻的重量,并且可以做成任(rèn)何尺(chǐ)寸;

优(yōu)点2:锂电池有着非常大的体积,容量(liàng)比极高;

优点3:锂电池的(de)放点率非常高,这点非常适合短时间需要大(dà)能量的无刷(shuā)电机(jī)。

这些优点可能放在船模车(chē)模里面还不会是特(tè)别明显,但(dàn)是放在无人机里面,他的存在直接等于可以飞(fēi)或者不可以飞的区(qū)别。但是锂电池也有他的(de)弱(ruò)点。比如:

弱点1:价格对于镍氢电(diàn)池和镍镉电池还(hái)是有些贵 不过(guò)随着(zhe)生产厂(chǎng)商的增加和技术(shù)的(de)进(jìn)步(bù),现在已经在开始降价(jià)啦

弱点2:寿命短。一块普通锂电池从出(chū)厂到报(bào)废最多(duō)有300次到500次的充(chōng)电次数,但(dàn)是这个数字的上下限会因你充(chōng)电(diàn)和使用(yòng)的方法而增加或者减(jiǎn)少,我将在将(jiāng)来的章节(jiē)讲到(dào)。

弱(ruò)点3:使用不稳定。由于锂电池的高体积:容量比,已经它所采用的电解质非常(cháng)不稳(wěn)定,一块锂电池可以在充电和放(fàng)电的时候起火甚至(zhì)爆炸。

弱点4:高(gāo)维护成本。和其他电池(chí)相比,锂电池如果要走完它人生(电生??)完(wán)整过(guò)程(chéng),需要使用者不仅使用时(shí)候处处留心,还必须严格按照说明来控制(zhì)储存房间的(de)温(wēn)度(dù)。

要进一步了解(jiě)为什么锂电池有这些特点,我们就不得不说说他(tā)的构造和工作(zuò)原(yuán)理。

我们(men)知道一块电池都(dōu)有正极和(hé)负极,而负责锂(lǐ)离子(zǐ)在正负两极(jí)之间(jiān)的交换(huàn)工作的是电解质。和使用液态电解质的(de)锂(lǐ)离子电池不同,锂电池使用的(de)是干(gàn)电解质,正负两极(jí)由一张(zhāng)像是烤箱里面用的锡箔纸一样的聚合物纸隔开,这也是锂(lǐ)聚合(hé)物电池名字的缘来。和锂(lǐ)离子电池必(bì)须(xū)要在一个(gè)铁盒子里(lǐ)面不(bú)同,锂(lǐ)电池(chí)可以牺(xī)牲厚度(dù)来换取(qǔ)面积,或者牺牲面积来换取(qǔ)厚度,所以在(zài)应用方(fāng)面非常适合寸土寸(cùn)金的航模飞机。

当时这个设计的问(wèn)题就是锂(lǐ)离子通过干电解质聚(jù)合物的(de)交换其(qí)实是不够快的,这也是为(wéi)什么(me)锂电池在普通室温下不(bú)可以快充的原因。当然如果你(nǐ)要把(bǎ)它(tā)放一热水袋上面充电的话,理论上是可以(yǐ)根(gēn)据温度快充的。

我们知道,一块电池在冬天的(de)时候使用会非常不给(gěi)力,而在兜里(lǐ)暖(nuǎn)和(hé)了(le)以(yǐ)后会施放出更多的能量。同理,假设外(wài)部温(wēn)度不变,一块(kuài)使用锂(lǐ)电(diàn)池(chí)的飞机在飞了一分钟以后(hòu)会发现飞得更快(kuài),这正是因为电池内部的锂离(lí)子在正负极交换一段时间以(yǐ)后的效率随着(zhe)电池化学反应而增加了。当然,也(yě)不是(shì)说越(yuè)热越好,一个(gè)检(jiǎn)查动力装置效率的最简单的办法就是落地以后检查电池温度。如果(guǒ)电池(chí)是温热的,就没有问题,如(rú)果(guǒ)电池烫手,那么就表示锂离子(zǐ)活动过快,很有可能是桨太大了,电机无法跟上。

第二章:锂电(diàn)池参数(shù)详(xiáng)解

1)电压

锂电池的基本(běn)组成是单位,也(yě)就(jiù)是(shì)大家常(cháng)常(cháng)听(tīng)说的S,比如一般常用(yòng)的电池3S,就是(shì)表明它是(shì)由3个单位组(zǔ)成的。锂电(diàn)池的一个单位标准电压是3.7伏,所以一(yī)个3S的电压就是11.1伏(fú)。3.7付一个单位的锂电池比起镍电池的(de)1.2伏,说明了(le)它可以使用相(xiàng)对简单的内部(bù)构(gòu)造来达到更高的电压。

平行电路(lù)(Parallel)和串流(liú)(series)电路的区(qū)别?市面(miàn)上大部分超(chāo)过1S的电池(chí)都串联的(de),比如一块3S的就是三个(gè)1S串(chuàn)联组合而成的(de)。

偶尔有(yǒu)些比较贵的电池(chí)比如Gens Ace就是平行的, 例如上面标有4S2PP就是平行的(de)缩(suō)写(xiě))的一(yī)块2400毫安的电池,就是(shì)由(yóu)两块4S的(de)1200毫安电池平行连接起(qǐ)来,而达到(dào)更高的容量的(de)。

一般1-1.5米的泡沫(mò)模型飞机需(xū)要配套3S11.1伏)-4S14.8)的(de)电机,2米以(yǐ)上的轻(qīng)木需要(yào)配(pèi)套6S(22.2)-8S(29.6伏)的电机才能(néng)带动。再往上走还有37伏的10S44.4伏的12S.当然,由于锂电池(chí)的可搭建性很强,你(nǐ)自己也可以在上面这些数字上面串联(lián)搭(dā)建20S,24S的电池(chí),或者平行连接来加(jiā)倍已(yǐ)有(yǒu)电池容量。不过超(chāo)过(guò)了12S以后的航模电机就非常难买到了。

2)容(róng)量

电池上面标示的容量,指的是xxx毫安/时,有的时候也是安/时,1=1000毫安。 很多(duō)同学会对这个小时感到(dào)困惑,理解为这块(kuài)电(diàn)池的使用时(shí)间,其实毫安(ān)/时指(zhǐ)的是(shì)这块电池在一小时内可(kě)以被充放的最大容量。举个例子来说(shuō),一(yī)块2500毫安/时的电池可以被某个耗(hào)电(diàn)2.5安的器(qì)材在一个小(xiǎo)时内使用(yòng)殆尽(jìn),被一个耗电1.25安的器材在2小时(shí)内使用殆尽,或者(zhě)被一个耗电0.5安的器材在(zài)5小时内耗尽能量。

我们平时使用的电机(jī)往(wǎng)往有着非常高的耗电量,比如说我们现在手里有一块28-26 1000KV / 235W 的电机,查看他的数据表,发现最大耗(hào)电(diàn)量15安(ān),那么(me)就是说上面一块(kuài)2500毫安(ān)/时的电池,在最大油门的时候,只能支撑这块电机2.5/15 =0.166, 也就是60*0.166=9.96分钟。实际飞行的时间当然不可能(néng)就是这个,因为你不(bú)可能一直满油并且锂电池也不能完全用到0%。总之,知道这个方法可(kě)以方便你在给模型配套电池的时候做出载重(chóng)和飞行时间最大(dà)比的决定(dìng)。

3)放电率

锂电池的放(fàng)电(diàn)率称为 C rating。这个参(cān)数是锂电池参数里面最难理解的(de),所以我放在最后讲。

简(jiǎn)单来说,C rating值是对应一个电池(chí)能够在多快(kuài)的时间内被完全耗尽(jìn)。这个数值(zhí)越高,它的放(fàng)电率(lǜ)也(yě)就越高(gāo)。常见的电池C值有20C25C40C75C等。

又来举例说明,一个上面标(biāo)有10C1000毫安锂电池,它的最快放电速度就(jiù)是10倍它的(de)容(róng)量/时,也就是说,假定(dìng)它的(de)容(róng)量是1000毫安/时,那么它(tā)的最大能(néng)耐就是以(yǐ)每分(fèn)钟耗电10/60分钟(zhōng),也就是(shì)166毫安(ān)的(de)速度给一个最大耗电率(lǜ)为10A的器材配(pèi)电6分钟,如果是(shì)20C,这个(gè)器材则最大耗电可能是20A,可以(yǐ)以(yǐ)20A/60=333毫(háo)安/分钟(zhōng)为它供(gòng)电3分钟。

一般固定翼无人机(jī)除了在起飞时刻特别需要高放电(diàn)率(lǜ)以外(wài),平(píng)时如果(guǒ)不做特技(jì)的话(huà),不大需要(yào)高C值的电池。20C-40C的电池足以应付。但(dàn)是(shì)如果你玩(wán)多旋(xuán)翼特别(bié)是穿(chuān)越机的话,油门(mén)起伏非常大的(de)时(shí)间需要(yào)高C值,不(bú)然你会发现你明明飞的很好,电量(liàng)还有(yǒu)一半多,但是一个翻滚以后就无法(fǎ)提升高(gāo)度,甚至炸机了。

基(jī)本上所有的锂电池的C rating后面还有一个(gè)burst rate,就翻译为爆发值吧,一般是2倍。比如一个(gè)20C的电池的(de)爆发C rating就是40C。这是电池在高需求情况下能在(zài)几秒内提供的做大电源。

C值越大的电池价格也就越贵,建(jiàn)议购(gòu)买的时候无论如何都要在(zài)自己钱包允许的前提(tí)买(mǎi)最大的,而(ér)选了(le)10-20C的包你后悔。你有可(kě)能会炸(zhà)机,也有可(kě)能会发现突然(rán)有一天你充电时候或者飞完下地电池就(jiù)鼓包了,那就不好(hǎo)玩(wán)了。

第三章:锂电池安全

有人称锂电池为航(háng)模炸弹,这(zhè)个说(shuō)法一点都不为过,在我(wǒ)的航模生涯已经见证过无(wú)数次(cì)锂电池使用(yòng)不当而照成的(de)起火甚(shèn)至爆炸了空中解(jiě)体。国外甚至还有人(rén)因为锂电池(chí)充电把整个家都烧得精光。

1)锂(lǐ)电池温度

锂电其(qí)实是一个非常娇气(qì)的元件,对温度有很(hěn)多(duō)要求,尤其是热的时候,无论(lùn)充电(diàn)或者储存(cún),都注意要尽量避(bì)免阳光直射。换句话说,在热(rè)带地区的锂电(diàn)池从一(yī)出生就注定寿(shòu)命不会长过其(qí)他温带地区的电池(chí)。

不仅如此,随着(zhe)电(diàn)池的寿命慢慢耗尽,电池(chí)内的电阻(zǔ)会慢(màn)慢变(biàn)得更大(dà),不仅使得充电放电时间加长,也使得电池(chí)变得(dé)越来越热。一(yī)般一(yī)块电池使用完毕以后(hòu)温(wēn)度不会变化太大,如果你使劲儿(ér)满油门飞,它也最多不会(huì)超过35-40度,这(zhè)是一个安全(quán)点。如果飞下来发现电池有以下这些(xiē)情况,建议你(nǐ)不(bú)要再(zài)用了。

1. 电池烫(tàng)手,温度超过了50度;

2. 飞行的时候明显发现还有20%以上的电量,但是电压明显下降(jiàng);

3. 仔细看(kàn)电池包装(zhuāng)发现有泡泡在缝隙中出现。

这时(shí)候也请不要把报废的锂电池(chí)扔到垃圾桶,正(zhèng)确且(qiě)简易的处理步骤如下(xià):

找一个盆子(zǐ)注满水,里面按照大概40-50:1的比例(lì)加(jiā)盐,然后把(bǎ)电池泡进去几天,然后(hòu)再提出(chū)来扔掉,这样(yàng)就不会引发火灾(zāi)了。这个(gè)做法的原理是盐有导电的性质,电池在盐水里(lǐ)面会慢慢放电(diàn),直到(dào)所有锂(lǐ)电池单元(yuán)都(dōu)降为0伏。

280% 定律

一块(kuài)锂(lǐ)电池的储存(cún)安全电压应该是在3.85伏,建(jiàn)议(yì)你一定只有在使用前才(cái)充满到4.2伏。无论怎(zěn)么使用,请一定不要让它的电压(yā)降到(dào)3.5伏,因为到(dào)哪个时(shí)候你的电池会非(fēi)常烫手而且寿(shòu)命已(yǐ)经急剧(jù)减短(duǎn)。

一个安全的使用办法(fǎ)就是,永远不(bú)要使用超(chāo)过80%的电量,也就是说,使用完了下来(lái)你(nǐ)也应该还有20%的电量,这个时(shí)候的单个单位电压应该是(shì)3.75左(zuǒ)右,比如(rú)一块2500毫安的3S电池,它被使用了80%的毫(háo)安以后(hòu),应该还(hái)有500毫安,整块电池的电(diàn)压应该是11.25伏。

【小贴(tiē)士:如果(guǒ)你要知道你电池精确的电量和电(diàn)压值的话,一定要在航模下来立即就测量,如果(guǒ)你多等几分钟(zhōng),电池在无压的情况下,电压(yā)会(huì)慢慢(màn)回升(shēng)。这(zhè)也(yě)是为什么永远不要飞一块用过的电池的原因,因为(wéi)你无法读取(qǔ)它真实的数(shù)据】

锂电三秘籍:

— 唯有在出发之前(qián)才充电

— 使用时候(hòu)千万别超过80%的(de)电量

— 电池如果(guǒ)超过3天(tiān)不用(yòng)的要充(或者(zhě)放电)到(dào)3.85伏一(yī)个单元(很多充电器都有这个功能(néng))

3)内部(bù)电阻

锂电(diàn)池不(bú)像食(shí)物,上面标(biāo)有过(guò)期日,如果别人(rén)卖你一块电池(chí)告诉你是新(xīn)的,你怎么知道是真是假?查查电阻就明白了(le)。

大(dà)部分35C以上的(de)正版电池(chí)出(chū)厂的时候各个单位有1-5毫欧(mOhm)的电阻,如果是一块3S电池,就(jiù)是大概3-15毫欧。

【说明(míng):由于生产工艺(yì)的限(xiàn)制,很多100-200毫(háo)安的微(wēi)小锂(lǐ)电(diàn)池(chí)在出厂的(de)时候内部电阻就是100或者200毫欧,但(dàn)是绝大多数(shù)的2000毫安以上的新电池(chí)内部电阻应该在10-30

随着(zhe)电池的使用次数增(zēng)加或者(zhě)储(chǔ)存时间(jiān)的增长,锂电池的内部电(diàn)阻也(yě)会慢慢(màn)变大,而且这个变化(huà)是不成(chéng)比例(lì)的,比如一块电池在头一(yī)年(nián)只有35欧姆的电阻,但是到了第二年是50欧姆,可(kě)再等一个(gè)月就变成(chéng)了100欧姆,再过一个(gè)月就300欧姆了。

那么这些(xiē)数字(zì)到底(dǐ)有什么实际意义呢?我们分四组情况(kuàng)

a) 每单(dān)位内部电阻1-5欧姆的锂电池是(shì)块少女(nǚ)电池

b) 每单位内部(bù)电阻5-10毫欧的锂电池应该是被使用过大概(gài)十几二十次,性能(néng)不(bú)受电阻影响

c) 每(měi)单位(wèi)内(nèi)部电阻10-20毫欧的锂(lǐ)电池已经是在熟女和黄脸婆(pó)之间了

d) 每单(dān)位内部电阻20-25毫欧的电池(chí)快断气了,续弦吧

【提(tí)醒:还记(jì)得第二章的平行电(diàn)路和串联电路(lù)吧,在计(jì)算(suàn)一块电池电(diàn)阻的时候不要忘(wàng)了先检查一(yī)下是哪种(zhǒng),大部分电池都是串联的,这情况大家把(bǎ)每个单位的内部电阻加起来就是整块电池的内部电阻了。如果是碰到平行的(平行电路的电池会标(biāo)示(shì) xSxP),读取的(de)单(dān)独单位内部(bù)电阻就选最大的一个】

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