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无人机基(jī)础知识之锂电(diàn)池篇(piān)

 

第一(yī)章:锂电池的特点

锂(lǐ)电池,这(zhè)里讲的主要是锂聚合物电(diàn)池,歪(wāi)果仁喜欢叫它Lipo( 来自Lithium Polymer),其实这是(shì)错误的,它的全名叫锂离子聚合物电池 (Lithium Ion Polymer)这是一(yī)种可多次(cì)充电的电池(chí),他的发明(míng)在过去的十年间(jiān)可(kě)谓是(shì)对航模界起了翻(fān)天覆地的变化(huà),它基本上淘汰了(le)锂离子电池(Li-Ion),磷酸铁锂(lǐ)电池(LiFe), 镍氢电池(Nimh),镍镉(gé)电(diàn)池(chí)(Ni-CD),尽管现在这些(xiē)电池现在在航模界继续发(fā)挥着其(qí)他的方面的作(zuò)用(比如Nimh作(zuò)为(wéi)舵(duò)机电(diàn)池(chí)有长期维持电(diàn)压的特点),但是(shì)锂聚合物电池(接下来我们都简(jiǎn)称锂(lǐ)电池)基本(běn)上靠(kào)着下面的三个(gè)个优点完胜他们成(chéng)为大部(bù)分模友的首(shǒu)选(xuǎn)。

优点1:锂电池有(yǒu)着(zhe)非(fēi)常(cháng)轻的重(chóng)量,并且可以做成任何尺寸(cùn);

优点(diǎn)2:锂(lǐ)电池有着非常(cháng)大的体积,容(róng)量比极(jí)高;

优(yōu)点3:锂(lǐ)电(diàn)池的放点率(lǜ)非常高,这点非(fēi)常适合短时间需要大能量的无刷电(diàn)机。

这(zhè)些优(yōu)点可能(néng)放在船(chuán)模车模里面(miàn)还不会是特(tè)别明(míng)显(xiǎn),但是放在(zài)无人(rén)机里面,他的存在直接等于可以飞或者不可以飞的区别。但(dàn)是锂电池也有他的弱(ruò)点。比如:

弱点1:价格对于(yú)镍氢(qīng)电池和(hé)镍镉电池还是(shì)有些贵 不过随着生产厂商的增(zēng)加和(hé)技(jì)术的(de)进步(bù),现在已(yǐ)经在开始降价啦

弱点2:寿命短。一块普通锂电池从(cóng)出厂到报废最多(duō)有300次到500次(cì)的充电次数,但是这个(gè)数字的上下限会因你充电和使用的(de)方法而增加或者(zhě)减(jiǎn)少,我将在(zài)将来的章节讲到。

弱点3:使用不稳定。由于锂电池的高(gāo)体(tǐ)积(jī):容量比,已经它所采用的电解(jiě)质非常不稳(wěn)定(dìng),一(yī)块锂电池可(kě)以(yǐ)在充电和(hé)放电(diàn)的时(shí)候起火(huǒ)甚至爆炸。

弱点(diǎn)4:高(gāo)维护(hù)成本(běn)。和其他电池相比,锂电池如果要走完它人(rén)生(shēng)(电(diàn)生??)完(wán)整(zhěng)过(guò)程,需要使用者(zhě)不仅使用(yòng)时候处处(chù)留心,还必须严格(gé)按照说明(míng)来控制储存房间的(de)温度。

要进一步了解为(wéi)什么锂(lǐ)电池有这(zhè)些特点(diǎn),我(wǒ)们(men)就不得不说(shuō)说他的构造和工作原理。

我(wǒ)们知道一(yī)块(kuài)电池都有正极和负极,而负责锂离子在正负两极之(zhī)间(jiān)的交换(huàn)工作(zuò)的是电解(jiě)质(zhì)。和使用液态电解质的(de)锂(lǐ)离子电池不同,锂电池使用的是干电(diàn)解质,正(zhèng)负两极(jí)由(yóu)一张(zhāng)像是烤箱里面用(yòng)的(de)锡箔纸一样的(de)聚合(hé)物纸隔开,这也是(shì)锂聚合物(wù)电池名字的缘来。和(hé)锂(lǐ)离子电池必须要(yào)在一(yī)个(gè)铁盒子里面不(bú)同,锂电(diàn)池可以(yǐ)牺牲厚度来换(huàn)取(qǔ)面积,或者(zhě)牺牲面积来换取厚度,所以(yǐ)在应用方面非常适合寸土寸金的航模飞机。

当时这(zhè)个设计的问题就是锂离子通过干电解质聚(jù)合物的交换其实是不够快的,这也是为(wéi)什么锂电池在普(pǔ)通室温下不可以(yǐ)快充(chōng)的(de)原(yuán)因。当然如果你要把它放(fàng)一热水袋上(shàng)面(miàn)充(chōng)电的话,理论上是可(kě)以根据温度快充的。

我们知道,一块电池在(zài)冬(dōng)天的时候使用会非(fēi)常不给力(lì),而在兜里暖和了(le)以后会施放(fàng)出更(gèng)多的能(néng)量。同理(lǐ),假设外部温度不变,一(yī)块使用锂电池的飞(fēi)机(jī)在飞了(le)一(yī)分钟以(yǐ)后会发现飞得更快,这正是因为(wéi)电(diàn)池(chí)内部的锂离子在正负极交换一段时间以后的效率随着电池化(huà)学反应(yīng)而增(zēng)加了(le)。当(dāng)然,也(yě)不是说越热越好,一个检查动力装置效(xiào)率的最简单的(de)办法就是落地以后检(jiǎn)查电(diàn)池温度。如果(guǒ)电池是温热的,就没有问题,如果电池烫手(shǒu),那么就(jiù)表示(shì)锂离子活动过(guò)快,很(hěn)有可能(néng)是(shì)桨太大了,电(diàn)机无法跟上。

第二章:锂(lǐ)电池参数(shù)详解

1)电压(yā)

锂电池(chí)的基本组成是单位(wèi),也就(jiù)是(shì)大家常常听说的S,比(bǐ)如(rú)一般常用的电池3S,就(jiù)是表明(míng)它是由3个单(dān)位组成的。锂电池的一个单位标准电压是3.7伏,所以一个3S的电压就(jiù)是(shì)11.1伏。3.7付(fù)一个单位的锂电池比起镍电池的1.2伏,说明了它可以(yǐ)使用相对简单的内部构造来达到(dào)更高的(de)电压。

平行电路(Parallel)和串流(series)电路的区别?市面上大部(bù)分超过1S的电池都串联的,比如一块3S的就是三个(gè)1S串联组(zǔ)合而成的。

偶(ǒu)尔有些比较贵的(de)电池比如Gens Ace就是平行的, 例如上面标(biāo)有4S2PP就(jiù)是(shì)平行的缩写)的一块2400毫安的电池,就是由两块4S1200毫安电池平(píng)行连接起(qǐ)来,而达到更(gèng)高的(de)容(róng)量的。

一般1-1.5米的泡沫模型飞机需要配套3S11.1伏)-4S14.8)的电机,2米以上的轻木需要(yào)配套(tào)6S(22.2)-8S(29.6伏)的电机才能(néng)带动。再往(wǎng)上(shàng)走还有37伏的10S44.4伏(fú)的12S.当(dāng)然,由于锂电(diàn)池的可搭建(jiàn)性很强,你自(zì)己(jǐ)也可以(yǐ)在上面这些数字上面串联(lián)搭建20S,24S的电(diàn)池,或者平行连接来加(jiā)倍已有电池容量。不过超过(guò)了12S以后的航模电机就(jiù)非常难买到(dào)了。

2)容(róng)量

电池(chí)上面标示(shì)的容量,指(zhǐ)的是xxx毫安/时,有的(de)时候也是安(ān)/时,1安(ān)=1000毫安。 很(hěn)多(duō)同学会对这个小时感到(dào)困惑,理(lǐ)解为这块电池的(de)使(shǐ)用时间,其实毫安/时指的是这块电池在一小时内可(kě)以被充(chōng)放的最(zuì)大容(róng)量(liàng)。举个例子来说,一(yī)块(kuài)2500毫安/时(shí)的(de)电池可以被某个耗电2.5安的器(qì)材在一个小时内(nèi)使用殆尽,被一个(gè)耗电1.25安的器材在2小时内使用(yòng)殆尽,或者(zhě)被一个耗电0.5安的器(qì)材在5小时内耗尽能量。

我们平时(shí)使用(yòng)的(de)电机往往有着非常高的耗电量,比如(rú)说我们现在(zài)手里有一(yī)块28-26 1000KV / 235W 的电(diàn)机,查看他的数(shù)据表,发现最大(dà)耗电(diàn)量15安,那么就是(shì)说上面(miàn)一块2500毫安/时的电(diàn)池,在(zài)最大油门的(de)时候,只能支撑这块电机(jī)2.5/15 =0.166, 也就是60*0.166=9.96分(fèn)钟。实(shí)际飞(fēi)行的时间当然不可能就(jiù)是这(zhè)个(gè),因为(wéi)你不可能一直满油并且锂电池也不(bú)能完全用到0%。总(zǒng)之(zhī),知(zhī)道这个方法可以方便(biàn)你在(zài)给(gěi)模型配套电池的时候(hòu)做(zuò)出载重和飞(fēi)行时间最大比的决定。

3)放电率

锂电(diàn)池的(de)放电率称(chēng)为(wéi) C rating。这个参数是锂电池参(cān)数里(lǐ)面最难(nán)理解(jiě)的,所以我放在最后讲。

简单来说,C rating值是(shì)对(duì)应一个电池能够在多快的(de)时间内被完(wán)全耗尽(jìn)。这个数值越(yuè)高,它的放电(diàn)率也(yě)就越高。常(cháng)见的电池C值有20C25C40C75C等。

又来举例说明,一个上面标有10C1000毫安锂(lǐ)电池,它(tā)的最快放电速度就(jiù)是10倍它的容量/时(shí),也就是说(shuō),假定它的容量(liàng)是1000毫安/时,那么它的(de)最(zuì)大能耐(nài)就是以每分钟耗电10/60分钟,也就是(shì)166毫安(ān)的速度给一(yī)个最大耗(hào)电率为10A的器(qì)材配电6分(fèn)钟(zhōng),如果是20C,这个器材(cái)则最大耗电可能是20A,可以以20A/60=333毫(háo)安/分钟为它供电3分钟。

一般(bān)固定翼无人机除了在起飞(fēi)时刻特别需要高放(fàng)电率(lǜ)以外,平时(shí)如果不做特技的话,不大需要高C值的电池。20C-40C的电池足以(yǐ)应(yīng)付。但是如果你玩多旋翼(yì)特别(bié)是(shì)穿(chuān)越(yuè)机的话,油(yóu)门起伏非(fēi)常大的时间需要高C值,不然你会(huì)发现你(nǐ)明(míng)明飞(fēi)的很好,电量还(hái)有一(yī)半多,但是一个翻(fān)滚以(yǐ)后就无法提升高度,甚至炸机(jī)了。

基(jī)本上所(suǒ)有的锂电池的C rating后面还有一个burst rate,就翻译为爆发值(zhí)吧,一般(bān)是2倍。比如一(yī)个20C的电池(chí)的爆发(fā)C rating就是40C。这是电池在高(gāo)需(xū)求情况(kuàng)下能在(zài)几秒(miǎo)内提(tí)供的做大电源。

C值越大的(de)电池价格也就越贵,建议购(gòu)买的时候无论如(rú)何都要(yào)在自(zì)己钱(qián)包允许的(de)前(qián)提买最大的,而(ér)选(xuǎn)了10-20C的(de)包你后悔。你有可能会(huì)炸机,也有可能会发现突然有(yǒu)一天你充电时候或者飞(fēi)完(wán)下地(dì)电池就(jiù)鼓包了,那就不好玩了。

第三章:锂电池(chí)安全

有人称锂电池为航模炸(zhà)弹,这个说法(fǎ)一(yī)点都不为过,在我的航模生(shēng)涯(yá)已(yǐ)经见证过无数次锂电池使用不当而照成的起火甚至爆炸了空中解体。国外甚至还有人因为锂(lǐ)电池充电把整个家都烧得精光。

1)锂电池温度

锂电(diàn)其(qí)实是一(yī)个非常娇气的元(yuán)件,对温(wēn)度(dù)有很多要求,尤其是热(rè)的时候,无论充电(diàn)或(huò)者储存,都注意要尽量避(bì)免阳光直射。换句(jù)话说,在热带(dài)地区的锂电池从一出生就注定寿命不会长(zhǎng)过其他温(wēn)带(dài)地区(qū)的电池。

不(bú)仅如此(cǐ),随着电池的寿命慢慢耗(hào)尽,电池内(nèi)的电阻会(huì)慢慢变得(dé)更大,不(bú)仅使得充电(diàn)放(fàng)电时间加长,也使得电池变得越来越热(rè)。一(yī)般一块电池使用完毕以后温(wēn)度不会变化(huà)太(tài)大,如果你使劲儿满油门飞,它(tā)也(yě)最多不会超过35-40度,这是(shì)一个安全点。如(rú)果(guǒ)飞下来(lái)发现电池有以下这些情况,建(jiàn)议你不要再用(yòng)了。

1. 电池烫(tàng)手,温度(dù)超(chāo)过(guò)了50度;

2. 飞行的时候明显发现还有20%以(yǐ)上的电量,但是电压明显下降;

3. 仔细看电池包装发现有泡泡在(zài)缝隙中出现。

这时候也(yě)请不要把报废的(de)锂电池扔到(dào)垃(lā)圾桶(tǒng),正确且(qiě)简易的处理步骤(zhòu)如(rú)下(xià):

找一个盆子(zǐ)注满水,里面按照大概40-50:1的比例加盐,然后把电池泡进去(qù)几天,然后再提出来扔掉,这样就不(bú)会引发火灾了。这个做法(fǎ)的原理是盐有导电的性质,电池在盐(yán)水里(lǐ)面会慢慢放电(diàn),直到所有锂电(diàn)池(chí)单元都降为(wéi)0伏(fú)。

280% 定(dìng)律

一块(kuài)锂(lǐ)电池(chí)的(de)储存安全电压应该是在(zài)3.85伏,建议你(nǐ)一定只有在使用前(qián)才充满到(dào)4.2伏。无(wú)论怎么(me)使用,请(qǐng)一定不要让它的(de)电压(yā)降到(dào)3.5伏,因为到哪个时(shí)候你的电池(chí)会非常烫手而且寿(shòu)命已经急剧减(jiǎn)短。

一(yī)个安全的使用办法(fǎ)就是(shì),永(yǒng)远不要使用(yòng)超(chāo)过80%的电量,也就是说(shuō),使用完了下(xià)来你也应该还有(yǒu)20%的电量,这个(gè)时(shí)候的单个单位(wèi)电压应该是3.75左右,比如一块2500毫安的(de)3S电池(chí),它(tā)被使用(yòng)了80%的(de)毫安以后,应(yīng)该还有500毫安,整块电(diàn)池的(de)电压应该是(shì)11.25伏。

【小贴士:如(rú)果(guǒ)你(nǐ)要知道你电池精确的电量和电压值(zhí)的话,一定要(yào)在航模(mó)下(xià)来立即(jí)就测量,如果(guǒ)你多等几(jǐ)分钟,电池在无压的情况下,电压会慢慢回升。这(zhè)也是为什么永远不要飞一块用(yòng)过的电池的原因,因为你无法读取它真实的数据】

锂电三秘籍:

— 唯有在出发之前(qián)才充电

— 使用时候千(qiān)万别超过(guò)80%的电(diàn)量(liàng)

— 电池(chí)如果超过3天(tiān)不用的要(yào)充(或者放电)到3.85伏一(yī)个单元(很多充电器都有这(zhè)个功(gōng)能)

3)内部电阻

锂电池不像食物,上面标有过(guò)期日,如果别人卖你一(yī)块电池告诉(sù)你是新(xīn)的,你怎(zěn)么(me)知道是真是假?查查电阻就明白了(le)。

大部分35C以(yǐ)上的正版电(diàn)池出厂的时(shí)候各个(gè)单位有1-5毫(háo)欧(mOhm)的电(diàn)阻(zǔ),如果(guǒ)是一块(kuài)3S电池,就是大概3-15毫欧。

【说明:由于生产工艺的限制(zhì),很多100-200毫安的微小锂电池在出厂的时候内部电阻就是100或(huò)者200毫欧,但是(shì)绝大多数的2000毫安以(yǐ)上的新电(diàn)池内部电阻应(yīng)该在10-30

随着电(diàn)池的使用次数增加或者储存时间的(de)增(zēng)长,锂电池的内部(bù)电阻也会慢慢变(biàn)大,而且这个(gè)变化是(shì)不成比(bǐ)例的,比如(rú)一块电池在头(tóu)一年只有35欧姆的电阻,但是到了第(dì)二年是50欧姆,可再(zài)等一个月就变(biàn)成了100欧姆,再(zài)过一个月就300欧姆了。

那(nà)么这些数字到(dào)底有什么实际意义呢?我们分四组情况

a) 每单位内部(bù)电阻(zǔ)1-5欧姆的锂电池是块少女电池

b) 每单位(wèi)内部电阻5-10毫欧的锂电(diàn)池应(yīng)该是被使用过大概十几二十次,性能不受电(diàn)阻(zǔ)影响

c) 每单位内部电(diàn)阻(zǔ)10-20毫欧的锂电池(chí)已(yǐ)经是在熟女和(hé)黄脸(liǎn)婆(pó)之间了

d) 每单(dān)位内部电阻20-25毫欧的电(diàn)池快断气了,续弦吧(ba)

【提醒:还记得第二章的平行电路和(hé)串(chuàn)联电路吧,在计算一块电(diàn)池电阻的(de)时候不要忘了先检查一下是哪种,大部分电池都是串联的(de),这情况大家把每个单位的内部电阻加起来就是(shì)整块电池的内部电阻了(le)。如果是碰到(dào)平行的(de)(平行电路的(de)电池会(huì)标示 xSxP),读取的单(dān)独单位内部电阻就选(xuǎn)最大的一个】

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