如何测试无人机的动力（电机、螺旋桨）-电池效率

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无人机电池

第一节：电池发展概述

1.1电池发展历史
电池的发明源于一次偶然发现，1786年，意大利生物学家伽伐尼在做青蛙解剖实验时，他用解剖刀解剖青蛙大腿神经时，青蛙抽搐了一下，仿佛受到了电流刺激。他之后设置不同条件重复这个实验，他发现用不同金属碰触青蛙腿时会使其痉挛，伽伐尼确信电流是由青蛙组织内部产生的，并在1791年，发表了《论肌肉中的生物电》，提出了“生物电“概念。

图1.1 伽伐尼青蛙实验原理图

受到伽伐尼”青蛙实验“的影响，伏特对”生物电“进行了深入研究，经过反复实验，伏特发现伽伐尼提出 “生物电”并不正确，电并不来自于青蛙组织内部，而是两种不同金属的连接，青蛙中某种液体和金属产生了化学反应。1799伏特用一块锌板和一块铁板，中间放一块盐水布，组成一个”电池模块“，将这些模块堆叠起来，伏特发明出了”伏特电堆“，可以说是最早的电池，现在电压单位，也是以他的姓简化命名的"伏特"（Volt）

图1.2伏特电堆

自从伏特电堆发明以来，经过两个多世纪，电池技术得到了飞速的发展，出现了不同种类、不同性能、不同应用场景的电池，下表中是电池发展的重要历史阶段：

自从“伏特电堆”发明以来，电池的种类越来越多，电池的性能越来越强，在安全性及环保性上取得了飞跃的发展。随着科技的发展，一些新型电池技术，也逐步得到应用，比如太阳能电池、核电池等。电池技术的发展是产品的安全性及续航性能发展的关键，电池技术的突破会给技术应用带来革命性变化，为社会发展做出更大的贡献。


1.2:电池的种类
电池从广义上划分可以分为化学电池、物理电池、生物电池三类。
化学电池：是将化学能转变为电能的装置。
物理电池：利用光、热、物理吸附等物理能量进行发电，其电池内部本身不产生化学反应的电池称为化学电池。主要有太阳能电池、双层电气电容、飞轮电池等。
生物电池：将生物质能转化为电能的装置。主要有酸解电池、微生物电池等
目前应用最广泛的是化学电池，文章中主要介绍的是化学电池。


1.2.1电池的定义
电池（化学电池）主要是由电极、电解液、隔膜等材料组成，可以将化学能转变为电能的装置。

图电池的组成

1.2.2电池组成要素的定义

从上述图表中可以看出，电池分类中很多交叉，目前常用的分类方式是按照工作性能和储存方式进行分类。即电池可以分为一次电池（也称为原电池）、二次电池（也称为蓄电池、可充电电池）、燃料电池。
1.3 现状及应用

随着电池技术的突破，安全及性能的提升，电池作为重要的能量来源，使用越来越广泛，其中生活中最常见的是一次电池和二次电池。

一次电池中最常用的有锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池、一次锂电池。主要应用于手电筒、收音机、电动玩具、电子表等产品上，具有标准统一、型号规格齐全、互换性强等特点；但是一次电池只能放电一次，不能充电，放电一次便要弃用。废弃电池中含有大量有害物质，会对环境造成严重破坏。

二次电池最常用的有铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等，主要应用于手机、电脑、摄像机、电动汽车、储能等产品。不同类型的产品其优势和劣势各不相同。

一次电池和二次电池有其不同的优势和劣势，我们可以发现在实际应用中会根据不同的场景和不同的产品使用不同类型的电池作为能量来源，它们在我们生活中都有大量使用。随着手机、笔记本电脑、穿戴设备以及新能源汽车的普及与应用，二次电池的需求量快速增长，在实际应用中镍氢电池和锂离子电池，凭借其优越的性能，得到批量生产和使用。镍氢电池具有比容量高、安全性高、无污染、记忆效应小等优点，常用于电动玩具、电动自行车、电动滑板等内置电源。锂离子电池具有比能量高、重量轻、无污染、无记忆效应等优点，常用于手机、手提电脑、无人机、电动汽车等产品中。

第二节无人机常用电池-锂聚合物电池

2.1无人机常用的电池类型
电池作为无人机重要的动力来源，相对于油机具有成本低、使用灵活、维护简单、环保等特点。目前无人机最常用的是锂聚合物电池，也有一些无人机采用氢燃料电池、太阳能电池，但是由于技术成熟度及成本还未到规模化使用阶段。
最早应用于无人机航模的电池是镍氢电池，镍氢电池解决了镍镉电池记忆效应的问题，比镍镉电池电流更大、充电更快。随着无刷电机的普及，对电池电流提出了更高的要求，镍氢电池无法满足，锂聚合物电池凭借其优越的性能，在无人机上得到规模化应用，目前锂聚合物电池占据无人机电池市场90%以上份额。
2.2锂电池
2.2.1 锂电池定义
锂电池是采用含有锂元素的材料作为电极的电池。
2.2.2 锂电池分类
由于锂电池发展经历了几个不同的阶段，并且种类繁多，所以在名称上显得比较混乱，有锂金属电池、锂离子电池、锂原电池、液体锂电池、软包电池、聚合物电池，经常令人不知道其分类归属。其实锂电池是一个总称，从广义上划分可以分为锂金属电池（也称为锂原电池、锂一次性电池）和锂离子电池（也称为锂二次电池）。起初，锂金属电池首先发明出来，并且得到商业化使用，所以锂电池最开始指的是锂金属电池。20世纪90年代锂离子电池诞生，凭借其优势得到商业化使用并且逐步替代了锂金属电池，得到广泛使用，所以现在所说的锂电池一般指的是锂离子电池。

图锂离子电池分类

锂离子电池按照不同的方式分类可以有不同的划分，其中新能源汽车中常说的三元锂电池、磷酸铁锂电池是从电池的正负极材料上进行划分的；无人机中最常用到的聚合物锂电池是按照电解质材料划分的；软包电池、铝壳电池是按照外包材料进行划分。不同的场景，人们习惯对电池的称谓不同，现在讲到锂电池多数指的是锂离子电池，聚合物锂电池也是锂离子电池的一种，目前无人机常最用的也是聚合物锂电池。


2.3聚合物锂电池
2.3.1聚合物锂电池的定义
聚合物锂电池（也称为锂聚合物电池或高分子锂离子电池）是指的在正极、负极、电解质中至少有一个或者一个以上采用了高分子材料的电池装置。电解质采用固态、胶态、有机电解质作为电解液，相比液态锂离子电池，比能量更高、更轻、更安全。


2.3.2聚合物锂电池分类与构成
（1）聚合物锂电池分类
聚合物锂电池根据电解质不同可以分为两类：一是固体聚合物电解质锂离子电池，电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适用于高温环境；二是凝胶聚合物电解质锂离子电池，即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，提高离子电导率，使得电池在常温下可以使用。目前无人机使用的多为凝胶聚合物电解质锂离子电池。
（2）聚合物锂电池构成

聚合物锂电池是由电极片、电解液、隔膜、极耳、包装膜构成。
电极片：聚合物锂电池中与电解质发生氧化还原反应的的材料，有正极和负极之分。正极一般为钴酸锂、三元锂、磷酸铁锂等材料，负极材料主要为石墨等碳类材料。
电解质：电解液是电池的重要组成部分，在电池正极和负极之间起到传导电子的作用。聚合物锂电池电解质一般为固态或者凝胶。
隔膜：聚合物锂电池中，隔膜是关键内层组件之一，是电池正极和负极之间的一层微孔膜材料，是一种纳米级微孔结构高分子材料，防止电池短路。目前聚合物锂电池采用的主要有聚丙烯和聚乙烯单层微孔膜以及由二者合同的多层微孔膜。
极耳：极耳是将内部正负极电能从电芯中导出到外部电路。一般正极使用铝带，负极使用镍带，一般在极耳处有一封极耳胶，主要是为了与铝塑包装膜进行密封。。
包装膜：聚合物锂电池一般采用铝塑膜作为包装，一般分为内层、中间层和保护层三层，内层为粘结层，一般采用聚乙烯或者聚丙烯材料，起到封口粘结作用；中间层为铝箔，能够防止电池外部水汽的渗入，同时防止内部电解液的渗出；保护层一般采用尼龙材料和高熔点聚酯，可以防止外力对电池的损伤。
从电池构型上来说，聚合物锂电池一般采用卷绕式或者层叠式。

层叠式

卷绕式

2.3.3无人机聚合物锂电池参数
2.3.3.1常见厂标参数
（1）容量(mAh)
无人机电池的容量单位一般用mAh表示，其中m=mili，千分之一单位，中文是毫，一般说的毫米，毫克也是这个词；A=Amper，中文是安培，电流的单位；h=hour，中文是小时。1000mAh=1Ah
以电池标注2600mAh为例，表示电池以2600mAh放电可以持续进行一个小时，如果以1300mAh放电可以持续两个小时。
（2）电压
无人机聚合物锂单片电芯额定电压为3.7V，是根据平均工作电压得出。单片电芯的电压范围是2.75-4.2V。电池低于2.75V则过度放电（过放），电池高于4.2V则过度充电（过充）。一般电池上标称的是额定电压或者额定电压的倍数3.7V,7.4V.11.1V,14.8V。
（3）电芯组合方式
我们常见的无人机电池会标注3S1P,6S1P,3S2P等,其中S(Serial)表示电池串联，P（Parallel）表示电池并联。例如3S2P指的是，将三块电池串联，再将串联后上午2组电池并联组成电池组，一共有六块电池芯。串联会增加电池电压，单个聚合物锂电池电芯标称额定电压为3.7V，3S电池电压为3.7X4=14.8V；并联会增加电池容量，例如单个电池容量为2600mAh，2P电池容量为5200mAh。并联加电压，串联加容量。也有电池会标注6cells，其实就是6S1P连接方式，因为无人机电池多采用串联的方式，所以一般简称几S电池，很少称电池为几P电池。
（4）放电倍率（C-rate）
电池放电倍率代表充放电电流的大小。放电倍率（C）=放电电流（A）/电池容量（mAh）,例如电池容量为2600mAh，电池的最大放电倍率为20C，那么它最大的放电电流为52A。放电倍率和时间成反比，工作时放电倍率越大，工作时放电时间越短；工作时放电倍率越小，工作时放电时间越长。
（5）电池能量（Wh）
电池能量指的是储存的能量，表示的是电池能做多少功单位是Wh，生活中的一度电就是1000Wh（1kWh）。从单位上可以看出电池能量和容量是不同的概念。电池能量（Wh）=电池容量（mAh）*电压（V）。所以在电池电压相同时，我们可以用电池容量或者电池能量进行比较，当电池电压不同时，需要用电池能量进行比较。电池能量密度指的是单位质量或者单位体积电池所能放出的能量，反映了电池能量大小和尺寸的关系。能量密度（Wh/l）=电池能量/体积，能量密度（Wh/KG）=电池能量/重量。由公式可以看出，在电池能量不变的情况下，电池能量密度越高，体积越小。目前常见的聚合物锂电池能量密度在110-200Wh/KG之间。
2.3.3.2其他参数
（1）电池内阻
电池内阻指的是电池在进行工作时，电流通过电池内部受到的阻力，包括欧姆电阻和极化电阻。欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻，包括电化学极极化和浓差极化引起的电阻。内阻是评价电池性能的重要指标，电池内阻越小消耗能量越小，电池电阻越小约好。
（2）电池循环次数
电池循环次数也称为电池循环周期。指的是电池放出电池本身容量电量的倍数。假设电池电池容量是5000mAh，第一次使用放出3000mAh，第二次使用放出4000mAh，3000mAh+4000mAh=7000mAh，5000mAh算为一个循环周期，另外2000mAh算到下一个循环周期，依此类推。随着电池循环周期的增加，电池的容量会不断下降，当电池循环周期达到一定的循环次数时，电池就要退役了。
（3）荷电状态
荷电状态也称为剩余电量，表示电池放电后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，范围是0-100%。当荷电状态为0时，表示电池电量已经全部放完，当荷电状态为100%时，表示电池电量充满状态。
2.3.4无人机聚合物锂电池的特点
（1）安全性好
无人机聚合物锂电池采用铝塑膜软包的形式，电解质采用固态或者胶态，不会发生漏液，安全隐患小。
（2）内阻小
聚合物电池内阻比较小，降低了电池本身的自耗电量，最大限度的延长了无人机飞行时长。
（3）厚度薄、重量轻
无人机聚合物锂电池采用软包形式，重量比钢壳和铝壳轻，并且形状可以定制，可以做到更薄。
（4）无人机聚合物锂电池能量密度比较高，同等体积或者重量电池，电池储存能量更多。

2.3.5无人机聚合物锂电池使用
（1）选择电池
首先我们确定了电机型号和螺旋桨尺寸，通过测试台可以测试处100%油门下的最大电流。以四旋翼无人机为例。最大电流为29.77*4=119.08(A)。初步可以根据此数据来选用电池。放电电流（A）=放电倍率（C）*电池容量（mAh）。

（2）无人机电池使用
1. 确定电池电量
电池必须充满电使用，确保电池处于满电状态。电池如果未充满电，导致电压过低，可能无法使无人机起飞或者加剧起飞后由于电压过低造成炸机风险。
2. 确定电池外观完好
（1）检查电池是否有鼓包，外观是否出现损坏或者变形， 无人机聚合物锂电池的铝塑包装破坏严重会引起电池爆炸。
（2）检查电池接线是否存在松动，电池接口金属片是否有烧灼或者破损现场。
3.确定电池使用环境
电池使用时应该避免的极端温度下使用，以免影响电池的性能和寿命。电池使用前颖放置在适宜的温度环境中，在低温天气，如果电池长时间在外放置，电池的性能会大大降低，低温飞行时尽量将时间缩短到常温状态的一半。
4.飞行过程中不过度放电
电池在飞机上需要固定牢固，防止飞行过程中电池脱落，造成包装损坏，引发事故。电池在刚开始放电时，电压下降比较快，在3.7-3.9V之间，电压下降趋缓，下降到3.7V以后，电压下降速度加快。所以当电池低于3.7V时，继续放电至3.0V以下低电压，可能可能会损伤电池甚至造成炸机事故。
5.充电时不过度充电
飞行结束后或者执行飞行任务前在为电池充电时，需要选择合适的充电器。在充电前设置好必要的参数，应该在LiPo模式下进行充电，建议选择平衡充电，因为平衡充电可以设置一些内部保护，避免发生危险。电池到4.2V为充满电状态，如果继续充电，就会造成过度充电，会影响电池寿命甚至会引起火灾。现在充电器多为智能充电器，一般会在充满电后自动停止，但是也要关注充电器功能损坏或者元器件老化引起的充电故障造成过充。
（3）电池储存
1.电池应该有专门的隔离区域存放，避免和其他物品混放或者乱丢乱放。
2.电池不应该放置于靠近易燃易爆及电源附近，防止引起爆炸。
3.电池应该存放在干燥的环境中，避免将电池放在潮湿的环境中。
4.避免将电池放在过低或者过高的温度环境中，以免对电池性能造成影响或一起爆炸等事故。
5.不满电存放，电池存放时应该保持电压在3.7-3.9V之间，接到飞行任务时，再进行充电。充满电的电池，不能满电进行保存，如果电池满电保存超过3天，会造成电池鼓包甚至是报废。
6.不长时间静置保存，电池应该每到2-3个月充放电一次，保持电池内部化学物质的活性，可以延长电池的寿命。