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无人(rén)机基础知识之(zhī)锂电池篇(piān)

 

第一(yī)章:锂电池的特点

锂电池,这里讲的主要是锂聚(jù)合物(wù)电(diàn)池(chí),歪果仁喜欢叫它Lipo( 来自Lithium Polymer),其实这是错(cuò)误的(de),它(tā)的全(quán)名叫锂离子聚合物电池(chí) (Lithium Ion Polymer)这是(shì)一种可多次充电的电(diàn)池(chí),他的发明在过去(qù)的十(shí)年间可谓是对航模界起(qǐ)了翻(fān)天覆(fù)地的变化,它基(jī)本上淘(táo)汰了锂离子电池(Li-Ion),磷酸铁锂电池(LiFe), 镍氢电池(Nimh),镍镉电(diàn)池(Ni-CD),尽管现在这些电池现在在航(háng)模(mó)界继续发挥着其他的方(fāng)面的作用(比如(rú)Nimh作为舵机(jī)电池有长(zhǎng)期维持电压的特点),但是(shì)锂聚合物电池(接下来我们都简称锂电池)基本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:锂电池有着非常轻的重量(liàng),并且可以做(zuò)成任何尺(chǐ)寸;

优点2:锂电池有着非常大(dà)的体积,容量比(bǐ)极高(gāo);

优点3:锂电(diàn)池的(de)放(fàng)点率非常高,这点非(fēi)常适合短(duǎn)时间需(xū)要大能量的无刷电机。

这(zhè)些优点(diǎn)可(kě)能(néng)放在船模车模(mó)里面(miàn)还(hái)不会是特(tè)别明显,但(dàn)是放(fàng)在无人机里面,他的存在直接(jiē)等于可以飞或者不可以飞的区别(bié)。但是锂电池也有他(tā)的弱点。比如:

弱点1:价格对于镍氢(qīng)电(diàn)池和镍镉电(diàn)池还是有些贵 不过随着生产厂商的增加和技术的进步,现(xiàn)在已经(jīng)在开(kāi)始(shǐ)降价(jià)啦

弱点2:寿命短。一块普通锂电池从出厂(chǎng)到报废最多有300次到500次的充电次(cì)数,但是这个数字(zì)的上下限会因你充(chōng)电和使用的方法(fǎ)而增加或者减少,我将在将来的(de)章(zhāng)节讲到。

弱点3:使用不稳定。由于锂电池的高体积(jī):容量比,已经它所采用的电(diàn)解质非常不稳(wěn)定,一块锂(lǐ)电池可以在充电和放电的(de)时候起火甚至爆炸(zhà)。

弱点4:高维护成(chéng)本(běn)。和其他电池相比,锂电池如果要走完它人生(电生??)完(wán)整过程(chéng),需要使用者(zhě)不(bú)仅使用时候(hòu)处(chù)处留心,还(hái)必须严格按(àn)照说明来控制储存房间(jiān)的温度。

要进(jìn)一步了解(jiě)为什么锂(lǐ)电池有这(zhè)些特点,我们就不(bú)得不说(shuō)说他的构造和工(gōng)作原理。

我们知道一块电池都有正极和负极,而负责锂离子在正负两极之间的(de)交换工作的是电(diàn)解(jiě)质。和(hé)使用液态电解(jiě)质的锂离子电池不同(tóng),锂电池使用的是干电(diàn)解(jiě)质,正负两极由(yóu)一(yī)张像是烤箱里面用的锡箔(bó)纸一(yī)样的聚合物(wù)纸隔开(kāi),这也是锂聚合物电池名字的(de)缘来。和锂离子电池必须要在一(yī)个铁盒子里面不同,锂电池可(kě)以牺牲厚度来换取(qǔ)面积,或(huò)者牺牲面积来(lái)换取厚度,所以在应用方(fāng)面非(fēi)常适合寸土寸金的航模(mó)飞(fēi)机。

当时这个(gè)设计的(de)问题就是锂离子通(tōng)过(guò)干电解质聚合物的交换(huàn)其实是(shì)不够快的,这也是为(wéi)什么锂电池在普(pǔ)通室温下不可以快充(chōng)的原因。当然如(rú)果(guǒ)你要把它(tā)放一热水(shuǐ)袋上面(miàn)充(chōng)电的(de)话,理论上是可以根(gēn)据温度快充的。

我们知道,一块电(diàn)池在冬天的(de)时(shí)候使用会(huì)非(fēi)常不给力,而在兜里暖和(hé)了以后(hòu)会施放出更多的能(néng)量。同理,假设外部(bù)温度不(bú)变,一块使用锂电池的飞机在飞了一分钟以(yǐ)后会发现飞(fēi)得更快(kuài),这正是因为电池内部的锂离(lí)子(zǐ)在正负(fù)极交换一(yī)段(duàn)时间以后的(de)效率随着电池化学反应而(ér)增加(jiā)了。当然(rán),也不是说越热越好,一个检查动力装置效率(lǜ)的最简单的办法就(jiù)是落地以后检查电池温度(dù)。如果(guǒ)电池是温热的(de),就没有问题,如果电(diàn)池烫手,那么就表(biǎo)示锂(lǐ)离子活(huó)动过快,很有可(kě)能是桨(jiǎng)太大了(le),电机无(wú)法跟上。

第二章(zhāng):锂电池(chí)参数(shù)详(xiáng)解

1)电压

锂电池的基本(běn)组成是单位(wèi),也就(jiù)是大家常(cháng)常听说的S,比如一(yī)般常用的电池(chí)3S,就是表明它(tā)是由3个单位(wèi)组成的。锂电池的一(yī)个单位标准电压是3.7伏,所(suǒ)以一个3S的电压就是11.1伏。3.7付一个单位的锂电池比起镍电(diàn)池的1.2伏(fú),说明了(le)它可以使(shǐ)用相(xiàng)对简单的内部(bù)构造来达到更高(gāo)的电压。

平行电路(Parallel)和串流(series)电(diàn)路的(de)区(qū)别?市面上大(dà)部分超(chāo)过(guò)1S的电池都串联(lián)的,比(bǐ)如一块3S的就是三个1S串联组合而成的。

偶尔(ěr)有些比(bǐ)较贵的电池比如(rú)Gens Ace就是(shì)平行(háng)的, 例如上面标有4S2PP就是平行的缩写)的一块(kuài)2400毫安(ān)的电(diàn)池(chí),就(jiù)是由两(liǎng)块4S1200毫安(ān)电池平行连接起来(lái),而达到更高的容量的。

一般1-1.5米的(de)泡沫(mò)模(mó)型飞机需要配(pèi)套3S11.1伏(fú))-4S14.8)的电(diàn)机,2米以上的轻木需要(yào)配套6S(22.2伏(fú))-8S(29.6伏(fú))的电机才能带动。再往上走还有37伏的10S44.4伏的12S.当然(rán),由于锂电池(chí)的可搭建性很(hěn)强,你自己也可(kě)以(yǐ)在上面这些数字上面串联搭建20S,24S的电池,或者(zhě)平(píng)行连接(jiē)来加(jiā)倍已有电池容量。不过超过了(le)12S以后的航模电机就非常难买(mǎi)到了。

2)容量(liàng)

电池上(shàng)面标示的容量,指的(de)是xxx毫安/时,有(yǒu)的时候也是安/时,1=1000毫安。 很(hěn)多(duō)同学会对这个小时感到困惑,理解为这块电池的使用时间,其实(shí)毫安(ān)/时指的是这(zhè)块(kuài)电池在一小(xiǎo)时内可以被充放的最大容(róng)量。举个例子来说,一块2500毫安/时的电池可(kě)以被某个耗电2.5安的器材(cái)在一个小(xiǎo)时内使用殆尽,被一个耗电1.25安的器(qì)材在(zài)2小时内(nèi)使用殆尽,或者被一个(gè)耗(hào)电0.5安的器材在5小时内耗(hào)尽(jìn)能量(liàng)。

我们平时使用的电机(jī)往往有(yǒu)着非常高的(de)耗电量,比(bǐ)如说我们现在手里(lǐ)有一(yī)块28-26 1000KV / 235W 的电机,查看他的数据(jù)表,发现最大耗电量15安,那(nà)么就是说上面(miàn)一(yī)块2500毫安/时的电池(chí),在最大油门的时候(hòu),只能(néng)支撑这块电机2.5/15 =0.166, 也就是60*0.166=9.96分钟。实际飞行(háng)的时间当然不可能(néng)就是(shì)这个(gè),因为(wéi)你不可能一直满油并(bìng)且锂电(diàn)池也(yě)不能完(wán)全用到0%。总之,知道(dào)这个方法可以方便你在给模型配(pèi)套电池的时候(hòu)做出载重和飞行时(shí)间最大比的决定(dìng)。

3)放电(diàn)率

锂电池的放电(diàn)率称为(wéi) C rating。这个参(cān)数是锂(lǐ)电池参数(shù)里面最难理(lǐ)解的,所以我放(fàng)在最后讲(jiǎng)。

简单来说,C rating值(zhí)是对应(yīng)一个电池(chí)能够在(zài)多快的时间内被完全耗尽。这个数值(zhí)越高,它的(de)放电(diàn)率也就(jiù)越高。常见的电池C值有20C,25C,40C,75C等。

又来举例说明,一个上面标有10C1000毫安(ān)锂(lǐ)电池,它的最快放电速度(dù)就(jiù)是10倍它的容量/时,也就(jiù)是说,假定它的容量(liàng)是1000毫(háo)安/时,那么它(tā)的最大能耐就是以每分钟耗电10/60分钟,也就(jiù)是166毫安的速(sù)度给一个最大耗电率为(wéi)10A的器材配电6分钟,如果是20C,这个器材则(zé)最(zuì)大耗(hào)电(diàn)可能是20A,可以以20A/60=333毫安/分钟(zhōng)为它供电3分(fèn)钟。

一般固定翼无人机除(chú)了在起飞时刻(kè)特别需要(yào)高放电率以外,平(píng)时如(rú)果(guǒ)不做特(tè)技(jì)的话(huà),不大需(xū)要高C值(zhí)的电池。20C-40C的(de)电池足(zú)以应付。但是如果(guǒ)你玩多旋翼特别是穿越机的话,油门起伏非常大的时间需要高C值,不然你会发现你明明(míng)飞的很好(hǎo),电量还(hái)有一半多,但是一个翻滚以后就无(wú)法提升高度,甚(shèn)至炸机了。

基(jī)本上所有的锂电池的C rating后面还有一个burst rate,就翻(fān)译为(wéi)爆发(fā)值吧,一般是2倍。比如一个20C的电池(chí)的爆发C rating就(jiù)是40C。这是(shì)电池在高需求情况下能在(zài)几秒内提供的做大电(diàn)源(yuán)。

C值越大的电池价格也就越贵,建(jiàn)议购买的时候无论如何都要在自己(jǐ)钱包允许的前提(tí)买最大(dà)的,而(ér)选了10-20C的(de)包你(nǐ)后悔。你有可能会炸机(jī),也有可能会发现突然(rán)有一天你充电时候(hòu)或(huò)者飞完(wán)下地(dì)电池就(jiù)鼓包了,那(nà)就不好(hǎo)玩了。

第三(sān)章:锂电池安全

有人称锂(lǐ)电池为航模炸弹,这(zhè)个说法一点(diǎn)都不为过,在我(wǒ)的航模(mó)生(shēng)涯(yá)已经(jīng)见证过无数次锂电池使用不当而(ér)照成的(de)起火甚(shèn)至爆炸了空(kōng)中(zhōng)解体。国外甚至还(hái)有人因为(wéi)锂电池充电把整个(gè)家都烧(shāo)得精(jīng)光。

1)锂电池温度

锂电其实(shí)是一个非常娇气的元件,对温度有很多要求,尤其是热的时候(hòu),无论充电或者储存,都(dōu)注(zhù)意要尽量避免阳光(guāng)直射。换句话说(shuō),在热带地区的锂电池(chí)从(cóng)一(yī)出生就注(zhù)定寿命不会长过其他温(wēn)带(dài)地区的电池。

不仅如此,随(suí)着电池的(de)寿命慢(màn)慢耗尽(jìn),电池(chí)内的电阻会慢慢变得(dé)更大(dà),不仅使得充电放电(diàn)时间加(jiā)长,也使得电池变得越来(lái)越热。一般一块电池使用完毕以后温(wēn)度不会变化太大,如果你使(shǐ)劲(jìn)儿满油门(mén)飞,它也最多(duō)不会超过35-40度,这是一个(gè)安全点(diǎn)。如果飞下来发(fā)现电池有以下这些情况,建议你不要(yào)再用了。

1. 电(diàn)池烫手(shǒu),温度超过(guò)了50度;

2. 飞行的时候明显发现还有20%以(yǐ)上的电量(liàng),但是电压明显(xiǎn)下降;

3. 仔细看电池包装发现(xiàn)有泡泡在缝隙(xì)中出现(xiàn)。

这时候(hòu)也(yě)请不要把报废的(de)锂电(diàn)池扔到垃圾桶,正确且简易的处理步骤如下(xià):

找一个盆子(zǐ)注满(mǎn)水(shuǐ),里面按照(zhào)大概(gài)40-50:1的比例(lì)加盐,然后把(bǎ)电池泡进去几天,然后再提出(chū)来扔掉,这(zhè)样就不会引发火灾了。这(zhè)个(gè)做法的(de)原理是盐有导电的(de)性质,电池在盐水里面会(huì)慢慢放电(diàn),直到(dào)所有锂电池单元都降为0伏。

280% 定律

一块锂电池的储存安全电压应该是(shì)在3.85伏,建议你一定(dìng)只有在使用前(qián)才充满到4.2伏。无论怎(zěn)么使用,请(qǐng)一定(dìng)不要让它(tā)的电压降(jiàng)到3.5伏,因为到哪个时候你的电池(chí)会非常烫手而且寿(shòu)命已经急(jí)剧减短(duǎn)。

一个(gè)安全的使(shǐ)用办(bàn)法(fǎ)就是,永(yǒng)远不要(yào)使用超过80%的(de)电量,也就(jiù)是(shì)说,使用(yòng)完了下来你也应该还有20%的电(diàn)量,这个(gè)时候的单个(gè)单(dān)位电压应该是3.75左右,比如(rú)一块2500毫安的3S电池,它被使用(yòng)了80%的毫安以后,应该还有500毫安,整(zhěng)块电(diàn)池的电压应该(gāi)是11.25伏。

【小贴士:如果你要知道你电(diàn)池精(jīng)确的(de)电量(liàng)和电压值的话,一(yī)定要在航模下(xià)来立即就测量,如果(guǒ)你多等几分钟,电池在无压的情况下(xià),电(diàn)压会慢慢回升(shēng)。这也是为什么永远不(bú)要飞(fēi)一块用过的(de)电池的原因,因为你无法读取它真实(shí)的数据】

锂电三秘籍:

— 唯有在出发之前才充电

— 使(shǐ)用时候(hòu)千(qiān)万别超过80%的(de)电量

— 电池如果超过3天不用的要充(或者放(fàng)电(diàn))到3.85伏一(yī)个单元(很多(duō)充电器(qì)都有这个功能)

3)内部电阻

锂电池(chí)不(bú)像(xiàng)食物,上面标有过期日,如(rú)果别(bié)人卖(mài)你一块电池告(gào)诉你是新的,你怎(zěn)么知道(dào)是真是假?查查电(diàn)阻就明白(bái)了。

大部(bù)分35C以上的(de)正版电池出厂的(de)时(shí)候各(gè)个单位有1-5毫欧(ōu)(mOhm)的电阻,如果是一(yī)块3S电池,就是大概3-15毫欧。

【说明(míng):由于(yú)生产工艺的限制,很多(duō)100-200毫安的微小锂电(diàn)池在出厂(chǎng)的时候内部电阻(zǔ)就是100或者200毫欧,但是绝大多(duō)数的2000毫安以(yǐ)上的新电池(chí)内部(bù)电(diàn)阻应该在(zài)10-30

随着电池的使(shǐ)用次数增(zēng)加(jiā)或者(zhě)储存时间的增长,锂电(diàn)池(chí)的内部电阻也会慢(màn)慢变大,而且这个变化(huà)是不(bú)成比例的(de),比如一块电池在头一年只(zhī)有(yǒu)35欧姆的电阻,但是(shì)到(dào)了第二年(nián)是50欧(ōu)姆,可再等一个月就变成了100欧姆(mǔ),再过一个(gè)月就300欧姆了(le)。

那么这些数字到底有什么实际意义呢(ne)?我们分四组(zǔ)情况

a) 每单位内部电阻1-5欧姆的锂电池是块少女电池(chí)

b) 每单(dān)位(wèi)内部电阻5-10毫欧的锂(lǐ)电池应(yīng)该是被使用过大概十几(jǐ)二十次,性能不受(shòu)电阻影响

c) 每单位内(nèi)部电阻10-20毫欧的锂(lǐ)电池(chí)已(yǐ)经是在熟女和(hé)黄脸婆之间了

d) 每单位内部电(diàn)阻(zǔ)20-25毫欧的电池快断气了(le),续弦吧

【提(tí)醒:还记得第二章的平行电路和串联(lián)电路吧,在计算一(yī)块(kuài)电池电阻的(de)时(shí)候不要忘(wàng)了先检查一下(xià)是哪种(zhǒng),大部分电池都是串联的,这情况大家把每个单位的内部电阻加起来就是整块电池的内部电(diàn)阻(zǔ)了(le)。如果是碰(pèng)到平行的(平(píng)行电(diàn)路(lù)的电(diàn)池会标示 xSxP),读取的(de)单独单位内部电阻就选最大(dà)的一个】

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