锂电池在多旋翼无人机应用中的特性

锂电池在多旋翼无人机应用中的特性

作者：庄淡盛

来源：《电子技术与软件工程》2018年第15期

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 多旋冀飞行试验

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。