一天精通无人机：初级篇系列第 8 讲：动力电池

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一、基本介绍

        对于无人机来说动力电池通常采用锂芯电池，也就是我们日常所说的锂电池，用LiPo表示，每节锂电池的电压通常为3.7v到4.2v，也就是说每一节锂电池的空电电压为3.7满电电压为4.2v。锂电池的放电效果要比普通镍氢电池或镍锂电池好，所以也广受无人机爱好者的喜爱。锂电池由满电到空电的放电过程电压值并不是线性的，就是说锂电池在放电过程中电压值并不是按比例承时间变化的直线，而是一条曲线，如下图：



        通过上面曲线我们可以清楚的看到锂电池在刚开始放电时，电压降低的速度比较接近于线性变化，而后逐渐平缓，并持续较长一段时间，而后电压迅速降低。从典型放电曲线图上可以看出，电池放电电流越大，放电容量越小，电压下降更快。
        但是在实际使用过程中4.2v的电压是不够的，所以人们想到将多节锂电池串联起来提高电压。例如只有1节锂的电池称为LiPo 1S电池，由2节锂电池串联起来的电池称为LiPo2S，由3节、4节或6节串联的分别称为LiPo3S、LiPo4S或LiPo6S。对于多数世面上出售的动力电池除了会注明电池节数之外，还会注明其空电电压值，例如：
1s 3.7v
2s 7.4v
3s 11.1v
4s 14.8v
6s 22.2v
        动力电池的电压越高就可以驱动动力更强的电机转动。在小型有刷多旋翼无人机上使用的通常都是1s或2s锂电池。而中型多旋翼上使用的通常是3s、4s电池，6s电池通常用在更大的无人机上。
二、容量与放电倍率
        在购买动力电池时，我们可以看到电池上还有电量的标注，电量就是我们所常用的3000mah、4000mah、5300mah或10000mah等等。它表示了动力电池能够存储的电能的多少，单位为毫安时。而放电倍率通常是有15C、20C、25C或30C等等。它的意思是说放电的速率。例如：我们有一块10000mah 20C的电池。
1、按每小时10000毫安的放电速度持续放电1个小时；
2、以5倍速度放电，即以每小时50000毫安的放电速度持续放电12分钟（60 / 5）；
3、以10倍速度放电，即以每小时100000毫安的放电速度持续放电6分钟（60 / 10）；
4、以20倍速度放电，即以每小时200000毫安的放电速度持续放电3分钟（60 / 20）。
至于在实际飞行过程中它按多少的倍率放电，主要取决于电调和电机的功率，也就是负载的电流消耗。影响电池容量的因素：
1.电池的放电电流：电流越大，输出的容量减少；
2.电池的放电温度：温度降低，输出容量减少；
3.电池的放电截止电压：是由电极材料以及电极反应本身的限定来设定的放电时一般为3 .5V或3.2V。
4.电池的充放电次数：电池经过多次充放电后，由于电极材料的失效，电池的放电容量会相应减少。
5.电池的充电条件：充电倍率、温度、截止电压等影响充入电池的容量，从而决定放电容量。
三、电池续航时间
        目前的多旋翼无人机大多采用锂电池做为电源，而锂电池虽然容量可观，放电电压和电流都不错，但就目前的情况来看，续航还是一个待提高的难题。现在的多旋翼无人机飞行时间大概在15到20分钟左右，这对于执行简单的飞行任务和娱乐来说还可以接受，但想要长时间飞行例如5小时不断电飞行，这样的要求来说还是遥不可及。所以说续航问题是多旋翼机的一个瓶颈。
        2004年，英国物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功从石墨中分离出石墨烯，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。这是人类首次分离出石墨烯，它也即将成为硅的替代品，也被人们称之为“黑金”，之所以如此，是因为它是世界上目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的纳米材料，并且几乎是透明的存在，可以完美的制作成如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。现在，已有许多锂电行业对石墨烯在锂电池里的应用展开了研究，主要有两个方向的研究：石墨烯用于锂电正极材料；石墨烯用于锂电负极材料。据一些新闻报道，这些实验性研究所获得的电化学性能提升幅度有限，此外成本也很高，即石墨烯暂时无法商业化应用于锂电成本高昂是主因。商业化要考虑的首要问题就是成本，在锂电池中石墨烯主要起到的作用与传统碳/石墨的作用是相似的，一是导电剂，二是可能做电极嵌锂材料，但是原料价格相差成千上万倍。工艺繁琐，后处理污染严重，石墨烯比表面积大，受化学状态影响巨大，批次稳定性，循环寿命等众多细致因素限制，生产工艺及其复杂，而且石墨烯生产需要用到大量的硫酸，后处理也很麻烦。石墨烯是可以做导电剂促进快充放，虽然理论上可以提高倍率性能，但是如果分散工艺不到位混料不均，可能性质反倒下降，得不偿失。



下期预告：《动力电池》
《一天精通无人机：初级篇》主要内容为：基本动力原理、硬件组装、飞控程序下载、编译、校准、调参与试飞。
        《一天精通无人机：中级篇》主要内容为：开源飞控程序PX4架构、精典PID控制原理、路径规划、命令收发、与地面站通讯协议。
        《一天精通无人机：高级篇》主要内容为：动力学建模、半物理仿真、传感器数据融合、扩展卡尔曼滤波、全自动飞行设计、环境感知与视觉建模。

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