翻译文章（六）： 四旋翼无人机设计之电池

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翻译文章（六）：四旋翼无人机设计之电池

在电动模型的早期，唯一可用的电池是NiCad，由于存在重金属，目前禁止在国内（从前后文看，应该是指西班牙）使用。其重量高，能量密度低，并且具有有限放电能力。它们的优势在于巨大的强度和耐用性。随后，使用了具有相当高容量的NimH电池，但这种类型的电池中的密集充电和放电过程是强烈放热的，并且寿命周期数保持较低，而没有改善重量问题。

90年代末，Kokam品牌的第一批锂聚合物（LiPo）电池抵达西班牙，电池以单个电池的形式存在，组装必须手动完成。其能量容量远低于载流容量，其放电容量低约15倍。

从那时起到现在，LiPo电池和LiFePo等一些变体的发展势不可挡。事实上，在这个时候，使用其他化合物电池是不可想象的，聚合物电池既有令人难以置信的价格下降，也有更高的日常效益。因此，将对这种类型的电池进行简要回顾，稍后将指出定义它们的最具特征的参数，最后将对其选择中应用的标准提出一些建议。

锂聚合物电池实际上是锂离子聚合物电池。也就是说，锂离子电池和LiPo电池之间没有功能差异。第一种和第二种的区别在于，后者的液体电解质被固体聚合物取代：聚环氧乙烷、聚甲基丙烯酸甲酯和许多其他化合物。电池的工作原理是基于锂离子在充当阳极和阴极的两个金属板之间的循环。

尽管这种类型的电池是能量密度和放电容量最高的电池，但它也并非没有问题：如果它们过载，它们往往会膨胀到爆炸和燃烧的地步。如果它们在低于一定阈值的情况下放电，就会发生二次化学反应、阳极和阴极氧化，并有可能再次膨胀和起火。事实上，在其使用的早期，互联网上收集了许多因装载过程中的故障或使用受到冲击或变形的电池而引起的火灾案例。

在模型和工业应用中使用的LiPo电池组由串联或甚至并联-串联组合的电池组组成。每个电池的标称电压为3.7V，尽管在满载时达到4.2V。它们的放电深度（使用过程中可以达到的电压的最小值）不应低于2.8V。

接下来，将指出定义商用LiPo电池组的参数。

定义Lipo电池“包”的参数

电池数量：电池被指定为nSmP，例如3S2P。这表明所讨论的电池由两个3.7V电池支路组成，先串联，然后并联。串并联组合用于获得大容量，尽管所有电池串联的最常见配置是：1S、2S、3S、4S等。电池的总电压是通过将电池数量乘以3.7来获得的。

附图：图片为译者添加，图片来自网上，图中是3个单体先串联，然后2组并联

2.容量：电池组的容量由字母C表示，单位为mAh。也就是说，给出的数据是电池能够传递的能量。因此，例如，C＝4000mAh的电池理论上能够提供4A的电流一小时，稍微降低其电压（直到其电池数量乘以2.8V的结果，最小允许电压）。

3.放电容量：该数据以C的倍数给出，因此电池可以是25C-50C、40C-60C等。这表明可以从电池中连续汲取的最大电流以及可以在短时间内去除的最大电流。例如，如果C=4000mAh的前一包被标记为40C-60C，这意味着它适合通过连续放电40*4000mA（即160A和短暂的60*4000mA或240A）来工作。显然，在这些条件下，电池寿命在第一种情况下至少除以40，在第二种情况下除以60。在实际实践中，由于行为不是线性的，并且随着放电次数C的增加，其容量减小，因此减小甚至更大。

鉴于电池组制造商提供的用于模型的曲线族，可以容易地理解所有上述概念：



在曲线族中，可以观察到随着放电以C的倍数增加，电池中的内部电压降更大，其容量也会降低。

基于锂聚合物的电池的正确充电对于电池的耐用性至关重要，以避免任何可能危及操作人员安全的事故或故障。如上所述，这种类型电池的电池电压为3.7伏，该电压不是恒定的，并且当电池处于4.2V的100%时，该电压根据充电百分比而变化。因此，在充电过程中不应超过此限制，因为这可能会损坏电池。由于这种限制，有必要为LiPo电池使用合适的充电器，并选择正确连接的电池数量，如果值错误，则存在对电池过度充电的风险。市场上绝大多数充电器都内置了一个系统，可以自动检测连接的电池数量，以避免风险。

充电器使用已知的充电恒流/恒压（cc/cv）方法，这意味着在电池充电的第一阶段，当电池电压接近100%的极限时，会施加固定电流。充电器自动开始降低电流电平，并在剩余阶段期间施加恒定电压。一旦每个电池达到4.2伏的电压，充电器就会中断充电阶段。

选择充电器在充电过程中提供给电池的电流水平也很重要。在大多数情况下，它遵循一条规则，即你永远不必给电池充电超过其容量，即超过1C。这意味着，例如，如果有容量为2000毫安时的电池，则在充电阶段不得提供超过2安培的电流。

然而，由于这项技术的专业性，有支持2C、3C甚至5C充电电流的电池。所以我们可以减少充电时间。如果我们将电池充电到1C，它将在1小时内完全充满，然而，如果我们将其充电到5C，充电时间将减少到1/5小时12分钟。

同样重要的是电池的平衡，它可以为所有电池充电在不超过该限值的情况下，每个均达到4.2伏的水平。如果我们有多个电池，例如3S电池，充电周期结束时充电器将达到12.6伏，但是，如果电池在运行开始时电压不同，则有可能在运行结束时电压不同。一个电池可能超过4.2伏，而另一个电池则无法完全充电。为了避免这种情况并避免风险，它使用了负载平衡的方法充电所有的电池，误差为0.001-0.03伏，通过单独读取每个电池的电压，这要归功于具有所有LiPo电池的连接，电缆可以滚动连接不同的电池单体。

充电器中的内置电路允许您使用电池的主电源线为电池充电。

正确选择电池组的标准

阐述选择一个或另一个电池组的所有因素是非常漫长和乏味的，尽管可以给出程序的简要说明。

1.单元数量的选择：在这些情况下，最常见的是通过模拟程序选择整个牵引系统、螺旋桨、电机、变速器和电池。或者，确定螺旋桨电机总成处于适当性能和推力区域的适当电源电压

并由此确定电池的数量。最常见的是使用2S、3S、4S配置。

2。容量选择：容量必须根据所需的飞行时间和包裹重量进行选择。如上所述，如果重量大幅度增加，则不总是通过大幅增加容量来实现自主性的合理增加。

3。放电容量的选择：放电容量必须足以在制造商估计的适合连续放电消耗的最大电流的范围内。例如，如果我的系统消耗100A，而我的电池容量为5000毫安时，其永久放电容量必须至少为20摄氏度。从这个意义上说，需要注意的是，选择放电容量非常高的电池并不总是一个好主意。例如，如果我们以毫安时为单位的容量要求是2000mAh，而我的消耗量最大为40A，则可以选择任何放电容量为20C或更高值的电池，如25C、30C、40C等。尽管先验地，选择电池容量40C似乎是最合乎逻辑的，但这将是一个错误。电池的放电容量越高，其重量越大，内阻也越大，因此其电压降也越大。因此，通过选择40C的连续放电容量的电池，我们将增加重量，并且将具有比选择25C的放电容量更小的电压，更轻并且具有更低的电压降。因此，这一标准可以概括为，如果电池不打算真正使用这种特性，就不应该选择具有非常高放电容量的电池。出于这个原因，在这种情况下，选择25C允许最大消耗40A的应用程序连续下载60A是完全有效的，并且在任何修改的情况下都允许安全余量设计的消耗随后增加。
本节完。