锂电池在多旋翼无人机应用中的特性

庄淡盛

摘要

当前锂电池的研发水平与制造工艺水平正在快速发展，行业内对锂电池的放电特性有较多的研究。近年来无人机技术也发展迅猛，锂电池成为电动无人机动力来源的重要选择之一。电动无人机在飞行过程中随着飞行条件的变化，对锂电池的能量输出需求也随之变化，也因此需要对无人机与锂电池的适配进行深入分析。本文通过对飞行试验数据进行分析，得到锂电池在电动无人机飞行过程中的放电曲线并与之对应航时指标，以此为根据得到无人机与之匹配的锂电池选择方法，并通过实验方式验证了电动无人机在实际飞行时锂电池的选择。

【关键词】锂电池 充放电特性 无人机 测试

1 引言

无人机应用大多追求大载重，长航时，高可靠性，因此对无人机电源的主要要求是既要能量密度高，又要功率密度大。锂电池拥有优良的放电特性，这使其成为电动无人机领域最主要的动力存储单元。目前在商用无人机领域，锂聚合物电池成为高性价比的无人机最理想的二次电源。

随着无人机应用市场高速发展，对无人机动力系统的各项指标要求也越来越高，特别是航时指标。电动无人机在整个飞行包线中，各阶段都可能出现大的动力需求，特别是在任务末段。而随着锂电池放电过程的进行，锂电池放电能力趋于减弱，这对无人机飞行任务来说非常不利。因此在对电动无人机配置合适容量的电池时，需要经过细致考虑，让各个飞行阶段对动力的需求都在锂电池的输出能力范围内。而在某些特殊使用条件下，无人机飞行时需要电源持续提供大功率输出，如果只采用简单的限压报警装置，则很可能会存在锂电池出现过放电现象。

2 锉聚合物电池的一般放电特性

锂聚合物电池具有额定的最大放电电流以及最小放电电压，超出额定值时会对电池造成不可逆的损伤。在锂聚合物电池的使用过程中，多数情况下是不经意间出现过放电现象，多次累积之后便出现严重的性能损耗。如图2所示。

2.1 放电C数与电池容量

锂聚合物电池放电状态有大C数放电和小C数放电两种，其中放电C数表示电池放电电流倍率。设当前电池剩余容量为Q₁，具有放电倍率为N的电池最大放电电流为1，则有：

I=Q₁*N（1）

对于设计容量为Q₀的电池，放电时间t，瞬时电流I（t），己消耗的电量Q₂有：

由等式（1）和（2），对于特定的电池，其放电能力与放电C数有关，也与电池剩余电量相关，放电C数越大，大电流放电能力越强，而同一块电池剩余电量越多，大电流放电能力也越强。

2.2 锂聚合物电池放电曲线

为了解锂聚合物电池的一般放电特性，使用功率测试仪对试飞用的锂聚合物电池（容量为2.2Ah）进行放电测试（恒定1C、10C放电倍率持续放电，重复多次），锂聚合物电池前期放电压降较为平缓，当放电过程接近末尾时，电压出现陡降。如图3所示。

3 锂电池在多旋翼无人机应用中的放电特性

3.1 电动无人机应用用对锂电池容量的需求

无人机按飞行方式可分为固定翼无人机以及旋翼类无人机，两类无人机对动力供电系统的要求都是：大爆发功率，持续不断的电能输出。多旋翼无人机在整个飞行阶段，都需要动力系统提供不小于整机重量的升力，动力输出大小取决于整机重量以及飞行过载。电动无人机在飞行时要不停地对飞行状态进行调整，为了让电池的功率输出能快速响应飞行器的飞行状态变化，其应该有足够大的放电C数。而大C数电池意味着电极厚度更薄，导电涂层面积变大，其重量也相应加大。

在对无人机动力系统进行设计时，根据等式（1），电动无人机飞行末段电池电量己被消耗一部分，此时若要保证飞行需要的动力输出，电池设计容量应为：

其中：

I（t）≤Q₁*N（4）

等式（3）中的积分部分表示不同的飞行任务段消耗电量之和，即电池总耗电量。

结合等式（3）和等式（4），就可以得到电动无人机所需要的最小电池容量Q₀。

3.2 多旋冀飛行试验

为了充分了解锂电池在多旋翼无人机应用中的特性，为此进行了10次飞行试验，采集航时数据与实时电池放电曲线，并对两者进行分析。

试验采用深圳市爱科普电子有限公司生产的3串2.2Ah锂聚合物电池，飞行平台为深圳大疆创新F450机架，动力系统使用南昌三瑞模型有限公司2213动力套装，飞行控制系统使用PixHawk开源飞控系统。使用这套系统进行多旋翼无人机飞行过程对电池供电需求情况的研究。

飞行试验在田径场进行，任务规划设置了8个航路点（图5），航路点数据如表1。试验用电池在一个航程结束后剩余约40%电量，试验过程无过放电。

3.3 试验结果分析

试验结果如图6所示。

试验飞行包括起飞，爬升，平飞，悬停以及降落几个阶段。图7中各个标号代表各个航路点，绿线表示电池的输出电流值，红线代表飞行高度数据。从图中可以看出，多旋翼无人机在整个飞行过程中，有多处出现电流值的波动，如起飞爬升段和各个航线转弯处。分析飞行数据有如下六个特点：

（1）起飞阶段由于爬升需要，电池输出功率较大;

（2）拐弯处因姿态及飞行速度改变，电池输出功率比平飞阶段大;

（3）降高结束处要停止降高，相比平飞状态电池输出功率会增加;

（4）前飞并缓慢降高时电池输出功率与平飞阶段相当;

（5）无人机悬停与匀速平飞相比，电池输出功率更大;

（6）飞行末段由于电池压降的原因，为保持输出功率，电池输出电流值整体上有所提局。

如图8所示，5号航路点是一个延时悬停点，平均电流值大于匀速平飞状态的平均电流值，这是由于在平飞状态下螺旋桨受来流作用，桨盘产生一定的额外升力所致。

综合试飞结果可以看出，虽然无人机在任务末段的功率需求依不同的任务需求而定，但由于电池压降的影响，对电池输出电流的整体需求都有增大。在设计电动无人机动力系统时，常常使用飞行需求总能量来进行电池容量估算，或者使用平均功耗算出平均电流，这可能导致飞行末段出现瞬时输出功率不足的问题。设计电池规格时应该知道在时间t处飞行器准确的功率需求，这样才能准确地估算需要的电池剩余容量。对于无人机的飞行任务，预先设定各个任务段的飞行情况，再根据各个飞行任务段的功率需求，据此了解总体电量需求情况。多旋翼无人机除了在不同任务段会有不同的功率需求，在任务末段还要考虑有足够的抗扰动的动力输出能力。

4 总结

本文通过对锂聚合物电池的放电特性进行分析，并通过无人机飞行试验，得到锂电池在无人机飞行过程中的放电曲线，得到以下結论：

（1）为了在飞行末段电池仍有较大输出爆发力，应使用高放电C数电池，而小C数电池会出现无法放出剩余电量的情况;

（2）根据锂电池放电平台特点，在多旋翼无人机应用中必须避免过度消耗电池电量，轻则容易鼓包（如图2），重则可能导致无人机失控坠落;

（3）多旋翼无人机在飞行过程中对电能的需求并不平稳，当飞行状态出现变化时，对电能的需求也随之变化;

（4）为多旋翼设计锂电池容量时，应充分考虑飞行末段可能出现的飞行状态波动，此波动对电能需求的变化不能超出电池放电能力。

参考文献

[1]曹金亮，张春光，陈修强等.锂聚合物电池的发展、应用及前景[J].电源技术，2014，38（01）：168-169.

[2]樊孝红，蔡朝辉，吴耀根等.锂离子电池隔膜的研究及发展现状[J].中国塑料，2008（12）：11-15.

[3]高玉京，陈全世，林成涛，江发潮，夏士良.电动汽车用聚合物锂离子蓄电池充放电性能[J].电源技术，2006（07）：539-542.

[4]程建聪，陈性保，董全峰.聚合物锂离子电池的高倍率放电性能研究[J].电池，2007，37（05）：329-332.

[5]Rui G，Lu L，Ouyang M，et al.Mechanismof the entire overdischarge processand overdischarge-induced internalshort circuit in lithium-ionbatteries[J].Scientific Reports，2016，6：30248.