鋰電池在多旋翼無人機應(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)對鋰電池的放電特性有較多的研究。近年來無人機技術(shù)也發(fā)展迅猛，鋰電池成為電動無人機動力來源的重要選擇之一。電動無人機在飛行過程中隨著飛行條件的變化，對鋰電池的能量輸出需求也隨之變化，也因此需要對無人機與鋰電池的適配進行深入分析。本文通過對飛行試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到鋰電池在電動無人機飛行過程中的放電曲線并與之對應(yīng)航時指標(biāo)，以此為根據(jù)得到無人機與之匹配的鋰電池選擇方法，并通過實驗方式驗證了電動無人機在實際飛行時鋰電池的選擇。

【關(guān)鍵詞】鋰電池 充放電特性 無人機 測試

1 引言

無人機應(yīng)用大多追求大載重，長航時，高可靠性，因此對無人機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，這使其成為電動無人機領(lǐng)域最主要的動力存儲單元。目前在商用無人機領(lǐng)域，鋰聚合物電池成為高性價比的無人機最理想的二次電源。

隨著無人機應(yīng)用市場高速發(fā)展，對無人機動力系統(tǒng)的各項指標(biāo)要求也越來越高，特別是航時指標(biāo)。電動無人機在整個飛行包線中，各階段都可能出現(xiàn)大的動力需求，特別是在任務(wù)末段。而隨著鋰電池放電過程的進行，鋰電池放電能力趨于減弱，這對無人機飛行任務(wù)來說非常不利。因此在對電動無人機配置合適容量的電池時，需要經(jīng)過細致考慮，讓各個飛行階段對動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，無人機飛行時需要電源持續(xù)提供大功率輸出，如果只采用簡單的限壓報警裝置，則很可能會存在鋰電池出現(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，超出額定值時會對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）

對于設(shè)計容量為Q₀的電池，放電時間t，瞬時電流I（t），己消耗的電量Q₂有：

由等式（1）和（2），對于特定的電池，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，而同一塊電池剩余電量越多，大電流放電能力也越強。

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，使用功率測試儀對試飛用的鋰聚合物電池（容量為2.2Ah）進行放電測試（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，電壓出現(xiàn)陡降。如圖3所示。

3 鋰電池在多旋翼無人機應(yīng)用中的放電特性

3.1 電動無人機應(yīng)用用對鋰電池容量的需求

無人機按飛行方式可分為固定翼無人機以及旋翼類無人機，兩類無人機對動力供電系統(tǒng)的要求都是：大爆發(fā)功率，持續(xù)不斷的電能輸出。多旋翼無人機在整個飛行階段，都需要動力系統(tǒng)提供不小于整機重量的升力，動力輸出大小取決于整機重量以及飛行過載。電動無人機在飛行時要不停地對飛行狀態(tài)進行調(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。

在對無人機動力系統(tǒng)進行設(shè)計時，根據(jù)等式（1），電動無人機飛行末段電池電量己被消耗一部分，此時若要保證飛行需要的動力輸出，電池設(shè)計容量應(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），就可以得到電動無人機所需要的最小電池容量Q₀。

3.2 多旋冀飛行試驗

為了充分了解鋰電池在多旋翼無人機應(yīng)用中的特性，為此進行了10次飛行試驗，采集航時數(shù)據(jù)與實時電池放電曲線，并對兩者進行分析。

試驗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，飛行平臺為深圳大疆創(chuàng)新F450機架，動力系統(tǒng)使用南昌三瑞模型有限公司2213動力套裝，飛行控制系統(tǒng)使用PixHawk開源飛控系統(tǒng)。使用這套系統(tǒng)進行多旋翼無人機飛行過程對電池供電需求情況的研究。

飛行試驗在田徑場進行，任務(wù)規(guī)劃設(shè)置了8個航路點（圖5），航路點數(shù)據(jù)如表1。試驗用電池在一個航程結(jié)束后剩余約40%電量，試驗過程無過放電。

3.3 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果如圖6所示。

試驗飛行包括起飛，爬升，平飛，懸停以及降落幾個階段。圖7中各個標(biāo)號代表各個航路點，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，多旋翼無人機在整個飛行過程中，有多處出現(xiàn)電流值的波動，如起飛爬升段和各個航線轉(zhuǎn)彎處。分析飛行數(shù)據(jù)有如下六個特點：

（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)電池輸出功率會增加;

（4）前飛并緩慢降高時電池輸出功率與平飛階段相當(dāng);

（5）無人機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號航路點是一個延時懸停點，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，對電池輸出電流的整體需求都有增大。在設(shè)計電動無人機動力系統(tǒng)時，常常使用飛行需求總能量來進行電池容量估算，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)瞬時輸出功率不足的問題。設(shè)計電池規(guī)格時應(yīng)該知道在時間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。對于無人機的飛行任務(wù)，預(yù)先設(shè)定各個任務(wù)段的飛行情況，再根據(jù)各個飛行任務(wù)段的功率需求，據(jù)此了解總體電量需求情況。多旋翼無人機除了在不同任務(wù)段會有不同的功率需求，在任務(wù)末段還要考慮有足夠的抗擾動的動力輸出能力。

4 總結(jié)

本文通過對鋰聚合物電池的放電特性進行分析，并通過無人機飛行試驗，得到鋰電池在無人機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)鋰電池放電平臺特點，在多旋翼無人機應(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)致無人機失控墜落;

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

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

參考文獻

[1]曹金亮，張春光，陳修強等.鋰聚合物電池的發(fā)展、應(yīng)用及前景[J].電源技術(shù)，2014，38（01）：168-169.

[2]樊孝紅，蔡朝輝，吳耀根等.鋰離子電池隔膜的研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國塑料，2008（12）：11-15.

[3]高玉京，陳全世，林成濤，江發(fā)潮，夏士良.電動汽車用聚合物鋰離子蓄電池充放電性能[J].電源技術(shù)，2006（07）：539-542.

[4]程建聰，陳性保，董全峰.聚合物鋰離子電池的高倍率放電性能研究[J].電池，2007，37（05）：329-332.

[5]Rui G，Lu L，Ouyang M，et al.Mechanismof the entire overdischarge processand overdischarge-induced internalshort circuit in lithium-ionbatteries[J].Scientific Reports，2016，6：30248.