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无人机基础(chǔ)知识之锂电(diàn)池篇(piān)

 

第一章:锂电池的特点

锂(lǐ)电池,这里讲的主要是(shì)锂聚合物电池(chí),歪(wāi)果仁喜欢叫它Lipo( 来自Lithium Polymer),其(qí)实这是错误(wù)的,它的(de)全名叫锂离子(zǐ)聚合物(wù)电池 (Lithium Ion Polymer)这是一种可多次充电的电池,他的发明在过去(qù)的(de)十年间可谓是对航模界起(qǐ)了翻天覆地的变化,它(tā)基本上淘汰了锂离子电池(Li-Ion),磷酸铁(tiě)锂电池(LiFe), 镍(niè)氢电池(Nimh),镍镉电池(Ni-CD),尽(jìn)管现在(zài)这些电池(chí)现在在航模(mó)界(jiè)继续发挥(huī)着其他(tā)的方(fāng)面的作用(比如Nimh作为舵(duò)机电池有长(zhǎng)期维持电压的特点(diǎn)),但是锂聚合物电池(接下来我们都简称(chēng)锂电池)基本(běn)上靠着下面的三个个优点完胜他们成为大(dà)部分模友的首选。

优点1:锂电池有着非常轻(qīng)的重(chóng)量,并(bìng)且可以做成任何尺寸;

优点2:锂电池有(yǒu)着非常大的体(tǐ)积(jī),容量(liàng)比极高;

优(yōu)点3:锂电(diàn)池的放点率非常高,这点非(fēi)常适合短时间需要大能量的无(wú)刷(shuā)电机。

这些(xiē)优(yōu)点可能放(fàng)在船模车模(mó)里面还不会是特别明显(xiǎn),但是放在无(wú)人机里面,他的存在直接(jiē)等于可(kě)以飞或者不可以飞的区别。但是锂(lǐ)电(diàn)池也(yě)有他的(de)弱点。比如:

弱点(diǎn)1:价格对于镍氢电(diàn)池和镍(niè)镉电池还是(shì)有些贵 不过(guò)随着生产(chǎn)厂商的增加和技术的进步,现在已经在开始降(jiàng)价啦

弱(ruò)点2:寿命短。一块普通锂电池从出厂(chǎng)到报(bào)废最多有300次到500次的充电次数,但是这个数字的上下限(xiàn)会因你充电和使用(yòng)的方法而增(zēng)加或者减(jiǎn)少,我(wǒ)将(jiāng)在将来的章(zhāng)节讲(jiǎng)到。

弱点3:使用不(bú)稳(wěn)定(dìng)。由于(yú)锂电池的(de)高体积:容量(liàng)比(bǐ),已经它所采用(yòng)的(de)电解质非常不稳定,一块(kuài)锂电池可(kě)以(yǐ)在充电(diàn)和(hé)放电的(de)时候起(qǐ)火甚至爆炸(zhà)。

弱点4:高维护成本。和其他电池相比(bǐ),锂电池(chí)如果要走完它人生(电生(shēng)??)完整过程,需要使用者不仅使用时候处处留(liú)心,还必(bì)须严格按照说明(míng)来控制储存房间的温(wēn)度(dù)。

要(yào)进一步了解为(wéi)什么锂电池(chí)有这些特点,我们就不得不说说他的(de)构造和工作原理。

我们知道一块电池都有正极和负极,而负责锂离子在(zài)正负两极之间的交换工作的是电解质(zhì)。和使用液态(tài)电解质的锂(lǐ)离子电池不同,锂电池使用的(de)是干电解质(zhì),正负两(liǎng)极由一张像是(shì)烤(kǎo)箱里面用的(de)锡(xī)箔纸一(yī)样的聚合(hé)物纸(zhǐ)隔开,这也(yě)是锂聚合物(wù)电池名字的缘来。和锂离子电池必(bì)须要在一个铁盒子里(lǐ)面不同,锂电池(chí)可以牺(xī)牲厚(hòu)度来(lái)换取面积,或者牺牲面积(jī)来换取厚度,所以在应用(yòng)方面(miàn)非常适合(hé)寸土寸金(jīn)的(de)航模飞(fēi)机。

当时这个设(shè)计的问(wèn)题就是锂(lǐ)离(lí)子通过(guò)干电解质(zhì)聚合物的交换其(qí)实是不(bú)够(gòu)快的,这也是为什么(me)锂电池在普通室温下不可(kě)以快充的原因。当然如果你要把它(tā)放(fàng)一热水袋上面充电的话,理论上是可以根据(jù)温度快充的。

我(wǒ)们(men)知(zhī)道,一块电池在冬天的时候使用会非常不(bú)给(gěi)力,而在兜里(lǐ)暖和了以后会施放出更(gèng)多的能量。同理,假设(shè)外部温(wēn)度不(bú)变,一块(kuài)使(shǐ)用锂电池的飞机(jī)在飞了一分钟以后会发现飞(fēi)得更快,这正是因(yīn)为(wéi)电池内部的锂(lǐ)离子在正负(fù)极交(jiāo)换一段时间以后的效率(lǜ)随着电池化学(xué)反应而增加了。当然(rán),也不是(shì)说越热(rè)越(yuè)好(hǎo),一个检查动力装置效率的最简单的办法就是落地以(yǐ)后检(jiǎn)查电池温度。如果电池(chí)是温热的,就没有问题,如果电池烫手,那么(me)就表示锂离子活动过快,很有可能是桨太(tài)大了(le),电机无法跟上。

第二章:锂电池参数详(xiáng)解

1)电压

锂电池的基本组成(chéng)是单位,也就(jiù)是大家常常听说的(de)S,比如一(yī)般常用的电池(chí)3S,就是表明它是由3个单位(wèi)组成的。锂电池的一个单(dān)位标(biāo)准电压是3.7伏,所以一个(gè)3S的电压就是(shì)11.1伏。3.7付一个单位的锂电池(chí)比起镍(niè)电池的1.2伏,说明了它可以使用相对简单的内部构造(zào)来达到更高(gāo)的电压。

平行电路(lù)(Parallel)和串流(series)电路的区别?市面上(shàng)大部分超(chāo)过1S的电池都串联的,比如一块3S的(de)就是三个1S串联组合而成的。

偶尔有些比较贵的电池比如Gens Ace就(jiù)是(shì)平(píng)行(háng)的, 例如上面标有4S2PP就是平(píng)行的缩写)的一块2400毫安的电池,就是由两块4S1200毫安电池平行连接(jiē)起来(lái),而达到更高(gāo)的(de)容量的。

一般1-1.5米的泡沫(mò)模型飞(fēi)机需要配套3S11.1伏)-4S14.8)的电机,2米(mǐ)以上的轻(qīng)木需要配套6S(22.2)-8S(29.6伏)的(de)电机(jī)才(cái)能带(dài)动。再往上走(zǒu)还有37伏的10S和(hé)44.4伏的12S.当(dāng)然(rán),由于锂电池的可搭建性(xìng)很(hěn)强,你自己也(yě)可以在(zài)上(shàng)面这些(xiē)数字(zì)上面串联搭建20S,24S的电池,或者平(píng)行连接来加(jiā)倍已有电池(chí)容量。不过超过了12S以(yǐ)后(hòu)的航模电(diàn)机就非常难买到了(le)。

2)容量

电池上面标示(shì)的容(róng)量,指的是xxx毫安/时,有(yǒu)的(de)时候也是安(ān)/时,1=1000毫安。 很(hěn)多同学(xué)会对(duì)这个小时感到困(kùn)惑,理解为(wéi)这块电池(chí)的使(shǐ)用时间,其实毫安/时指的是这块电池在一小(xiǎo)时内可以被充放的最大容(róng)量。举个(gè)例子来说,一块2500毫安/时的电池(chí)可以被某个耗电(diàn)2.5安的器材在一(yī)个小时(shí)内使用殆尽,被一个耗电1.25安(ān)的器材在2小时内使用殆尽,或者被一(yī)个(gè)耗电0.5安的器材在(zài)5小时(shí)内耗尽能量。

我们平时使用的电(diàn)机往往有着非(fēi)常高的耗电量,比如(rú)说我们(men)现(xiàn)在手里有一块28-26 1000KV / 235W 的电(diàn)机,查看他的(de)数据(jù)表(biǎo),发现最大耗电量15安,那(nà)么就(jiù)是说上面一块2500毫安(ān)/时的电池,在(zài)最大油门的时候,只(zhī)能支撑这块电机(jī)2.5/15 =0.166, 也就是60*0.166=9.96分(fèn)钟。实际飞行(háng)的(de)时(shí)间当然(rán)不可(kě)能就是这个(gè),因为你不可能一直满油并且锂电池也(yě)不能完全用到0%。总之,知道这个方法(fǎ)可(kě)以方便你在给模型(xíng)配套电池的时(shí)候(hòu)做(zuò)出载重(chóng)和飞行时(shí)间最大比的决定。

3)放电(diàn)率

锂(lǐ)电池的放电率称为 C rating。这个参(cān)数是(shì)锂电池参数(shù)里面最难理解的,所(suǒ)以我放在最后讲。

简单来(lái)说(shuō),C rating值是对应一个电池能够在多快的时间内被完全耗(hào)尽。这(zhè)个数值越高(gāo),它的放电率也就(jiù)越(yuè)高(gāo)。常(cháng)见的电(diàn)池C值有20C25C40C75C等(děng)。

又来举(jǔ)例说明,一个上面标有10C的(de)1000毫安锂电池,它(tā)的最快放电速度就是10倍(bèi)它的容量/时,也就是说,假定(dìng)它的容量是1000毫(háo)安/时,那么它的最(zuì)大能耐就是以(yǐ)每分钟耗电(diàn)10/60分钟,也(yě)就(jiù)是(shì)166毫安的速度给一个最大耗电率为10A的器材配电6分(fèn)钟,如果是20C,这个(gè)器材则最大耗电可能是20A,可以以(yǐ)20A/60=333毫安(ān)/分(fèn)钟为它(tā)供电3分钟(zhōng)。

一般固(gù)定翼无人机(jī)除(chú)了在起飞(fēi)时(shí)刻特别需(xū)要高放(fàng)电率以外,平时如果不做特技的话,不大(dà)需要(yào)高C值(zhí)的电池。20C-40C的电池足以应付(fù)。但是如(rú)果你玩多旋(xuán)翼(yì)特别是(shì)穿(chuān)越机的话,油门(mén)起伏非常大的时间需要高C值,不然你会发(fā)现你(nǐ)明(míng)明飞的很好,电量(liàng)还有一半多,但是一个翻滚以后就无法提(tí)升高度,甚至炸机了(le)。

基本上所有的锂电(diàn)池的(de)C rating后(hòu)面还有一个burst rate,就(jiù)翻译为(wéi)爆发(fā)值吧,一(yī)般(bān)是2倍。比如一个20C的电(diàn)池的爆(bào)发(fā)C rating就是40C。这是电池(chí)在高需(xū)求情况下能在几秒内提供的做(zuò)大电源。

C值越(yuè)大的电池(chí)价(jià)格也就越贵,建议(yì)购(gòu)买(mǎi)的时候无论如(rú)何都(dōu)要在自己钱(qián)包(bāo)允许的前提(tí)买最大的,而选了10-20C的包你后(hòu)悔。你有可能会炸(zhà)机,也有可(kě)能会发现突然有一天(tiān)你(nǐ)充电时(shí)候或者飞完下地电池就鼓包(bāo)了,那(nà)就不好(hǎo)玩了。

第(dì)三章:锂电池安(ān)全(quán)

有人称锂电池(chí)为(wéi)航模(mó)炸弹,这个(gè)说法一点(diǎn)都不为过,在我的航模生涯已经见证过无数(shù)次锂电池(chí)使用不当而照成(chéng)的(de)起火甚至爆炸了空中解体(tǐ)。国外(wài)甚至(zhì)还有人因为锂电池充电把整个家(jiā)都烧得精光。

1)锂电池温(wēn)度

锂电其实(shí)是一个(gè)非常娇(jiāo)气的元件,对温度有很多要求,尤其(qí)是热的时候,无论充电或者储存(cún),都注意要尽(jìn)量避(bì)免(miǎn)阳(yáng)光直射。换句话说(shuō),在热带地区的锂电池从一出生就注定寿命(mìng)不会长过其他(tā)温带地区的电池。

不仅(jǐn)如此,随着电池的寿(shòu)命慢(màn)慢耗(hào)尽,电池内的电阻会(huì)慢慢变得(dé)更大,不仅使得充电放电时间加长,也使得(dé)电池变得越(yuè)来越(yuè)热。一般一块(kuài)电(diàn)池使用完毕(bì)以后温度不(bú)会变(biàn)化太大,如果你使劲儿满油门(mén)飞,它也最多不会超过35-40度,这(zhè)是一个安全点。如果飞下来发现电池有以下这(zhè)些情况,建议(yì)你不要再用了。

1. 电池烫手(shǒu),温度超(chāo)过(guò)了50度;

2. 飞(fēi)行的时候明显发现还有(yǒu)20%以上(shàng)的(de)电量,但是电压明显下降;

3. 仔细看(kàn)电池(chí)包装发现有泡泡(pào)在缝隙中出现。

这时候也请不要把报废(fèi)的锂电池扔到(dào)垃圾桶(tǒng),正确且简(jiǎn)易的处(chù)理步骤如下:

找一个盆子注满水,里面按照(zhào)大概40-50:1的比例加盐,然(rán)后把电(diàn)池泡进去几天,然后再提出来扔掉,这样(yàng)就不会引发火灾了。这个做法的原理是盐有导电的性质,电池(chí)在盐水(shuǐ)里面会(huì)慢慢(màn)放电,直到所有锂电池(chí)单元都降为0伏。

280% 定律

一块锂电(diàn)池(chí)的储存安全电(diàn)压应该是在3.85伏,建议你(nǐ)一定只有在使用(yòng)前才充满到4.2伏。无论(lùn)怎么使用,请一(yī)定不(bú)要让它(tā)的电压降到3.5伏,因(yīn)为到哪个时候你的电池会非常(cháng)烫手而且寿命已(yǐ)经急剧减短。

一个(gè)安全的使(shǐ)用办法就是,永远不要使(shǐ)用超过80%的电量,也就是说,使用完了下(xià)来(lái)你也应该还(hái)有20%的电量,这个时候(hòu)的单个单位电压应该是3.75左右,比如一块2500毫(háo)安的3S电池,它被使用了80%的毫安以后,应该还有500毫安,整块电池的电压应该是11.25伏。

【小贴(tiē)士(shì):如果你(nǐ)要知道你电池精确的电量和电(diàn)压(yā)值的(de)话,一定要(yào)在航模下来立即就测(cè)量(liàng),如果你(nǐ)多等几分钟(zhōng),电(diàn)池在无压的情况(kuàng)下,电压会慢慢(màn)回升(shēng)。这也是为什(shí)么(me)永远不要飞一块用过的电池的原因,因为你(nǐ)无法读(dú)取它(tā)真实的(de)数据】

锂电三秘(mì)籍:

— 唯有在出(chū)发(fā)之前才(cái)充电

— 使(shǐ)用时候(hòu)千(qiān)万别超过80%的电(diàn)量

— 电池如果超(chāo)过3天不用的要(yào)充(或者(zhě)放电)到3.85伏一个单元(很多充(chōng)电器(qì)都有这(zhè)个功能)

3)内部电阻

锂电池不像食(shí)物(wù),上面标有过期(qī)日,如(rú)果别人卖你一块电(diàn)池告诉(sù)你是新的,你怎么知道是真是假?查查电阻就明(míng)白了。

大部分35C以上的正(zhèng)版电池出厂的(de)时候各个单位有1-5毫欧(mOhm)的(de)电阻,如果是一块3S电池,就是大概3-15毫欧(ōu)。

【说明:由于生产(chǎn)工(gōng)艺的限制(zhì),很(hěn)多100-200毫安的微小锂电池(chí)在出厂(chǎng)的(de)时候(hòu)内部电阻(zǔ)就是100或者200毫(háo)欧(ōu),但是绝大多数的2000毫(háo)安(ān)以上的新(xīn)电(diàn)池内部电阻应该在10-30

随(suí)着电池(chí)的(de)使用(yòng)次数增加或(huò)者(zhě)储(chǔ)存时(shí)间(jiān)的增(zēng)长,锂(lǐ)电池的内部电阻也会慢慢变大,而且这个变(biàn)化是不成比例的,比如一块电池在头一年(nián)只有35欧姆的电(diàn)阻,但是到了第二年(nián)是50欧姆,可再等一个月就变成(chéng)了100欧姆,再(zài)过一个(gè)月就300欧姆了。

那么这些(xiē)数(shù)字到底有什么实际意义(yì)呢?我们分四组情况(kuàng)

a) 每单位内部电阻1-5欧姆的锂(lǐ)电池是块少女电池

b) 每单位内部(bù)电阻5-10毫欧的锂电池应该是被使用过(guò)大概十几二(èr)十次,性能不受电(diàn)阻(zǔ)影响

c) 每单位内部电(diàn)阻10-20毫(háo)欧的锂电池(chí)已经(jīng)是在熟(shú)女(nǚ)和黄脸婆之间了(le)

d) 每单位(wèi)内部电阻(zǔ)20-25毫(háo)欧的电池(chí)快(kuài)断气(qì)了(le),续弦吧

【提醒:还记得(dé)第二章的平行电路和串(chuàn)联电路吧(ba),在(zài)计算(suàn)一块电(diàn)池电阻(zǔ)的(de)时候不要忘了先检查一下是哪种(zhǒng),大(dà)部分电(diàn)池都是串联的,这情况大家把每(měi)个(gè)单位的(de)内部(bù)电阻(zǔ)加起来就是(shì)整(zhěng)块电(diàn)池(chí)的(de)内部(bù)电阻了。如果是(shì)碰到平行(háng)的(平行电路的电池会标(biāo)示 xSxP),读取的单独单位内部电阻就选最大的一个(gè)】

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