航模电池及稳压降压模块——毕设简记

pmx1225

简述

准备给设计的控制系统选一块航模电池，需要关注什么参数？控制系统的传感器需要5V供电、直流减速电机需要12V供电、单片机需要7~12V供电，这么多供电该怎么处理？难道是选择多块不同电压的电池？
此文将针对上述疑问，介绍了大学做项目常用的航模电池和电压模块的选型。此文将详细的介绍航模电池的电压、接口等选购参数，以及一些经验上的使用建议。而文中电压模块将包括：稳压、可调降压、升压、分电板等内容。

此文如果对你有帮助，不妨点个赞 ~

文章内容概览

希望此文能够给刚入门或暂未接触过实物的小白提供些许帮助，以便更快的理解整个控制系统的供电网络是如何连接的，以及我们该如何进行设计。

此前已经写过如何选择锂电池电压并计算电池容量，参见下文。

此外，之前也写过一篇介绍工训搬运小车控制系统组成的文章，里面也涉及到了该系统供电网络的连接关系。

1 航模电池

航模电池也是锂电池，多用于大学项目做的各种小型移动机器人，比如四旋翼无人机、巡检机器人、工训物流小车等等，基本上到处都能看见他。当然，上述的小型机器人也可以用绿色的锂电池组，但我还是推荐使用航模电池。常见的航模电池（左）和绿色锂电池组（右）如下图：


右侧的航模电池，其由若干个3.7V的电芯组成，每个电芯都是长方体形状；左侧的锂电池组，由若干个3.7V的锂电池组成，也就是圆柱形的那种电池。所以，一般相同电压相同容量的电池，航模电池比锂电池组体积更紧凑，同时价格也更贵。下面我将主要介绍航模电池选型的一些情况。

PS：锂电池组的接头比较单一，他的那个圆头电源输出口不好用。因为是圆头的，所以很容易把他的充电线与其他电子设备的充电线混淆。我们曾把一个闹钟的充电线（插头通电）插到锂电池组的充电口上（当时没注意），然后闹钟充电线直接冒烟烧焦咯！当时吓一跳。

如果把锂电池组的圆头电源口比作Type-C充电口，啥方向都能插；那航模电池的电源插头就是USB充电口，需固定方向插入。毕竟电源就两根线，一插错就GG，所以我个人更偏向于使用航模电池。
航模电池选购时，主要需关注容量、电压、电池接口、放电倍率这四大选购参数。通过阅读后文内容，你将知道“3s 2200mha 30C XT60插头“对于航模电池而言都是什么意思。下图为TB上航模电池加入购物车时的界面，


1.0 容量

航模电池和充电宝的容量单位是一致的，都是xxx mah。航模电池可选的容量范围很广，比如800mha、1300mha、1800mha、2200mha、4000mha、5300mha等。数字越大，对应的电池的续航能力越强，而体积重量也将随之增长。
对于相同电压的航模电池，电池的容量越大，其每块长方形电芯的尺寸及重量也将随之增大。比如3S 800mha的电池重75g，而3S 5300mha的电池则重367g。
电池的容量得根据用电设备的功率进行计算，一个简化的容量计算过程可以参考下文，下文中最终得到的电池容量单位为Ah，1Ah=1000mah。
1.1 电压及使用建议

前面也提到，航模电池是由若干块3.7V长方形的电芯连一起组成的。航模电池的电压一般以"xS"标识，即有x块3.7V的电芯串联在一起（Series connection-串联），一般x=2、3、4、5、6。
以最常用的3s电池为例，其标准电压为3.7V*3=11.1V，而充满电之后电压一般能够达到12.6V。我以前做工训物流搬运小车时，一直将3s电池当作12V的电池使用。

下面的内容为电池的使用建议

标准电压3.7V的电芯存在着充电截止电压和放电截止电压，为保障电芯的使用寿命，我们最好将其电压控制在放电截止~充电截止范围内。一般，3.7V的电芯的充电截止电压为4.2V，放电截止电压为3.5V。网上的说法中，其放电截止电压理论为2.75V，但还是建议以3.5V为准。
下表中，我整理了常见的2s、3s、4s、5s、6s的标准电压、充电截止电压和放电截止电压（其实就是单块电芯*电芯数），可供参考。我们在使用时，主要需关注其放电截止电压，其充电截止电压不用太在意（当然得选用平衡充充电器，且充满电后最好早点拔下来）。同时，如果准备把航模电池放上几个月半年不用，建议先将其放电至标准电压，以便长期存储。比如3s电池，放电至11.1V左右就可以长期储存啦。


同时，推荐给电池配备一个BB响，用于监测电池的电压大小，当电池电压低于设定值时，BB响将会发出”嘀嘀嘀“的提示声音。


1.2 电池接口

选择好电池为x S电池和yyy mha后，还需要确定一下电池的电源接口。如果硬件连接上接口不对应，这电池就没法用咯（不建议强行剪断电池电源接口线重新焊接）。
现有的常用的航模电池电源接口有JST插、T插、XT30插、XT60插。其中，XT60插头用得比较。一般而言，如果不考虑其他元器件的插头类型，选择哪种插头都是可以的。但是如果其他元器件的插头已经确定了，那就得必须考虑电池插头是否配套。


可以根据使用需求，选购合适的公母线或转接线。直接选购对应的插头，并配备热缩管，自己焊接也完全可以的。


1.3 放电倍率

选购电池时，另外一个常见的参数就是”xxC“，比如800mha 45C、2200mha 30C等，C的量纲为“1/h”。C数代表着电池的放电能力大小，C数越大放电能力越大（最大放电电流）。一般而言，电池的最大放电电流如下计算：
Imax = xxxmha*xxC/1000 (单位A)
// 比如 2200mha 25C
Imax = 2200mha*25C/1000 = 55A
// 2200mha 30C
Imax = 2200mha*30C/1000 = 66A上面，我们计算得到2200mha 25C的电池的Imax=66A，这意味着理论情况下，这块2200mha的电池，可以持续输出66A的电流，并维持60/25=4min。
这里同时也引出了C数的另外一个意义：理论情况下，一块xxxmha yyC的锂电池，可以以xxx*yy/1000的输出电流，持续工作60/yy min。
需知，这里计算得到的Imax为最大放电电流，电池实际能够提供的电流肯定会小一些。
2 电压模块

电压模块包括稳压模块、降压模块、升压模块等，他们的作用便是变压，以便供给用电设备（传感器、电机、控制器等等）。这些模块实现变压功能的具体原理我们无需了解，我们只需要知道常用的有哪些模块？常用的电压及其大概的输出电流（或功率）？
一般而言，我们只需要在搭建机器人系统时能够正常的选型即可。

ps：后文的一些描述不一定严谨，主要是为了便于零基础的小白理解。

2.1 稳压模块

稳压模块，顾名思义，就是能够输出稳定的电压，它可以输入x1~x2(范围内变化的电压)V的电压，并输出yV（y为定值），比如一个5v稳压模块，便可以输入12~5v的电压，并输出恒定的5V。一般而言，稳压模块的输出电压y≥输入电压(x1~x2)。当然，有的稳压模块是可以自动升降压的。
常用的稳压模块的输出电压y=3.3v、5v、12v，当然也有9v、24V等。
通常，可以买到的部分稳压模块其实是可调的，我们可以通过更改其另一侧的焊盘连接情况，控制其输出电压。但是，一般不建议多次更改焊盘连接情况。


当我们的控制系统中有一个传感器需要5V供电时，我们可以使用5V的压降模块为其供电。而当我们需要给的控制系统中的电机供电时，不但需要考虑电压还需考虑稳压模块的输出电流大小。
不同的稳压模块其功率不同，根据P=UI，不同功率的5v稳压模块其输出电流也不同。传感器需要的驱动电流一般很小，我们无需考虑，但是电机的驱动电流则可能达到几A甚至几十A，如果稳压模块的功率不够，供电电路也将无法正常的工作。因此，我们还需要根据稳压模块的输出端所接负载的工作情况，选择合适的稳压模块。
2.2 可调降压模块

通常，一个稳压模块只能输出一个固定值的电压。如果我们需要驱动一个5V、一个12V的传感器，那就分别需要一个5V和12V的稳压模块，而如果系统中又新增了一个9V的用电设备，那又得去采购一个9V的稳压模块。可见，如果系统中存在多个不同电压的用电设备，那我们就得准备一大堆相应电压的稳压模块，且需要分别多备几个，以免模块坏掉。
为此，我们可以考虑使用可调降压模块，即我们可以手动调整其输出电压的降压模块。因为电压可调，所以一般的可调降压模块相比较与稳压模块体积更大些（其具有可调电阻等分压电路）。可调降压模块上一般都设有可调电位计（可变电阻），我们通过旋转旋钮即可实现输出电压的调整。


此外，如果对降压模块的体积大小没啥要求，可以直接选用带电压显示的降压模块(数码管)；而如果追求小体积，则需选用不带电压显示的降压模块，并使用万用表测量其输出端电压大小。
与前面的稳压模块相同，依旧需要根据输出端驱动负载的工作情况，选择合适的可调降压模块。
2.3 分电板

分电板，顾名思义，就是输入一个电压后输出多个电压。一般而言，分电板输入xV，输出便是多路xV，分流但不改变电压，在航模上用的比较多。当然，也有部分高级点的分电板，其上设计有降压稳压电路，可以额外输出5V或12V。


需要搭多旋翼无人机、穿越机的时候，就需要使用到这种分电板，这些分电板都普遍采用航模电池供电。上图中分电板上的+和-都是连接在一起的，只需要在IN处接入航模电池的正负极，其他位置便会随后输出与输入等压的电压。分电板也有各种形状、型号可供选择，感兴趣的去TB搜索。
2.4 升压模块

我们可以借助降压模块将12V降压至5V，也可以借助升压模块将5V升压至12V。只不过，一般降压模块可能更常用些，特别是输出的电源将用于驱动大电流负载的情况下。同理，升压模块一般用于驱动一些小电流负载工作。
根据能量守恒定理且P=UI，我们先假设电压转换过程中没有能量损耗，12V4a的电源可以升压至24V2a，可以降压至5V9.6a。不考虑电压的情况下，我们一般使用电流大小衡量驱动能力，由此可见“降压使其驱动电流增大，升压使其驱动电流减小”。（并不严谨，但是就这么个意思）
升压模块和降压模块长得都差不多，如下。