Beginner's Tutorial | Batteries in UAV Power Systems

初学者教程 | 无人机电源系统中的电池

作为无人机新手,你一定很好奇无人机电池该如何选择?不同类型的电池有什么区别?使用时又需要注意什么?

本文将介绍电池的种类,并了解电池的参数。

原则
电池的工作原理

电池由正极材料、负极材料、隔膜和电解液组成。

当电池放电时,电子从负极移动到正极,产生电流。在这个过程中,电子的流动产生了电能。

类别
不同类型的电池之间有什么区别?

电池由正极材料、负极材料、隔膜和电解液组成。

湿电池

铅酸电池是常见的湿电池,正极材料为二氧化铅,负极材料为金属铅,电解液为硫酸溶液。

常用于汽车启动电池、通讯、自动控制、及应急设备的备用电源电池。

其优点是成本低、耐用、可靠,但缺点是重量重、能量密度低、需要定期维护。

干电池

干电池是我们最常用的电池,包括一次性电池和充电电池。

一次性电池,例如碱性电池、碳性电池,使用后无法充电,广泛用于日常电子设备中;

常见的充电电池有磷酸铁锂电池、聚合物锂电池、锂离子电池、镍镉电池等。

磷酸铁锂电池(LiFePO4):化学性质稳定,安全性高,循环寿命长,但能量密度较低。
常用于电动工具、电动汽车和储能系统。

聚合物锂电池(Li-po):能量密度高,但需要严格的安全管理,防止过度充电和放电。
常用于无人机、模型飞机等高功率需求设备。

锂离子电池(Li-ion):能量密度较Li-po电池较低,但循环次数较多,安全性较好。
常用于智能手机和笔记本电脑等电子产品。

镍镉电池(NiCd):早期手机电池,维护简单,但由于记忆效应和环保问题而逐渐被淘汰。
常用于专业工具及应急灯等设备。

什么是能量密度?

能量密度是指单位体积或质量所储存的能量,单位通常为MJ/L或MJ/kg。相同体积下,能量密度越高,可产生的能量越多。

例如,要将 1 升水从 20°C 加热到 100°C,大约需要 0.3135 MJ 的能量。因此,1 MJ 的能量可以煮沸约 6 瓶 500 毫升的水。

不同物质的能量密度如下
(单位体积:MJ/L)

汽油:32
柴油:35.8 航空燃料:34
煤炭:22-24
磷酸铁锂电池:0.792-1.26
锂离子电池:0.9-1.62
聚合物锂电池:1.08-1.8

结合以上电池特点,无人车一般选择聚合物锂电池(Li-po)和磷酸铁锂电池(LiFePO4)。
由于无人机对重量比较敏感,通常采用能量密度较高的聚合物锂电池;无人机对重量不太敏感,可以采用磷酸铁锂电池。

电池基本参数

电池的重要参数包括充放电速率、电池容量、电压。

电池的充电率和放电率表示电池充电或放电的速度。
充电率是电池的最大充电电流,同样,放电率表示最大放电电流。

例如:当电池容量为5300mah时,

2C充电速率指的是电池的最大充电电流为10.6A。
*[5300毫安时(5.3安时)*2=10.6安时]

放电率10C指的是电池的最大放电电流为53A。
*[5300 毫安时(5.3 安时)*10=53 安时]

电池电量计算

电池容量(mAh或Ah)越大,并不一定含有的能量就越多。根据电池的基本参数,我们可以推导出不同电池的功率。

电池能量计算公式为:
能量(Wh)=容量(Ah)×电压(V)

例如:
电池A:容量2000mAh,电压4.2V,则电池能量=2Ah×4.2V=8.4Wh

电池B:容量2000mAh,电压12.6V,则电池能量=2Ah×12.6V=25.2Wh

电池使用环境及注意事项

工作环境温度:

高温(超过65度)会导致电解液分解,产生气体,内压增大,缩短寿命,甚至引起爆炸。高温还会加速电解液与正负极材料之间的副反应,增加内阻,降低性能。

低温会使电解液粘度增大,电导率降低,影响放电容量和容量,降低充电效率。

日常生活中,我也遇到这样的情况,比如冬天手机的电池没有夏天用的时间长,又或者冬天北方气温低导致新能源汽车性能下降等。

防范措施:

必须使用专业充电设备在室温和干燥的环境中对电池进行充电。

锂聚合物电池(Li-po)和锂离子电池(Li-ion)的满电压为4.2V。磷酸铁锂电池(LiFePO4)的满电压为3.6V。(详情请参阅电池制造商的手册)

以下是正常情况下各电池的充电、放电循环次数:
聚合物锂电池(Li-po):300至500次
锂离子电池(Li-ion):500次
磷酸铁锂电池(LiFePO4):5000次

储存电池时注意:若长期不使用电池,锂电池电压需充电至3.8-3.85V,磷酸铁锂电池(LiFePO4)需充电至3.2-3.3V。

一般来说,选择无人机电池时,应根据无人机的具体需求(如载重、飞行时间等)计算所需电池容量,选择合适的电池类型和配置。同时还要注意电池的重量、安全性、性能等,以达到最佳的飞行效果。

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