锂聚合物动力电池在多旋翼无人机的组装调试与飞行实训中的应用

电池主要为无人机提供能量，有镍镉电池、镍氢电池、锂电池等。考虑到电池的质量和效率问题，多旋翼无人机多采用锂电池当中的锂聚合物电池，其包装样式如图3.1所示。

（1）概述

采用含有金属锂元素的材料作为电极的电池统称为锂电池，包括金属锂电池（早期，不可充电）和锂离子电池两种形式。和其他电池一样，锂离子电池的组成也包括电极和电解质等元素，如图3.2所示。

图3.1　锂聚合物动力电池

图3.2　锂离子电池基本组成

而锂离子电池又有液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（LIP）两种形式，区别在于电解质的不同，前者使用的是液体电解质，后者则以聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物胶体电解质。

1）优点

锂聚合物电池之所以被选为多旋翼无人机的主流动力来源，主要是基于其得天独厚的优势，具体表现在：

①电压高：单块电池工作电压高达3.6～3.8 V，远高于镍氢和镍镉电池的1.2 V；

②容量大：聚合物锂电池的容量密度是镍氢电池或镍镉电池的1.5～2.5倍，或者更高，超高的电池容量使其很早就成为笔记本电脑和智能手机的首选；

③自放电小：在放置很长时间后其容量损失也很小；

④寿命长：正常使用时的循环寿命可达到500次以上；

⑤没有记忆效应：在充电前无须将剩余电量放空，使用方便（镍镉电池有记忆功能）；

⑥安全性能好，质量轻：聚合物锂电池在结构上采用铝塑软包装，有别于液态电芯的金属外壳，一旦发生安全隐患，液态电芯容易爆炸，而聚合物电芯最多只会气鼓，故保护线路设计可考虑省略PTC和保险丝，以节约电池成本；同时，铝塑软包装显然要比金属外壳轻得多；

⑦厚度薄：聚合物锂电池厚度可做到1 mm以下，甚至能够组装进信用卡中。而普通液态锂电池厚度做到3.6 mm以下即存在技术瓶颈；

⑧内阻小：聚合物电芯内阻较一般液态电芯小，极大地降低了电池的自耗电，不仅延长了手机的待机时间，更成为遥控模型的新选择；

⑨形状可定制：可根据客户需求增加或减少电芯厚度，开发新的电芯型号，开模周期短，有的甚至可以根据手机形状量身定做，以充分利用电池外壳空间，提升电池容量；

⑩放电特性佳：聚合物电池采用胶体电解质，相比液态电解质具有平稳的放电特性和更高的放电平台；

⑪环境适应性强，绿色环保：可在-25～55℃工作，适合低温使用；同时，锂离子电池中不存在有毒物质，因此被称为“绿色电池”，国家重点扶持。

2）不足

①电池成本高：因为电解质体系提纯困难；

②需要保护线路控制：因为过充或者过放都会使电池内部化学物质的可逆性遭到破坏，从而严重影响电池的寿命。

（2）电池电压及其正确使用

电压表示电池正负极之间的电压压降。单节锂电池的有效电压区间一般认为是2.75～4.2 V，2.75 V以下认为是没有容量的，实际到3.0 V以下时电池就基本没有什么容量了。因此，正确使用时，应理解以下几个基本概念：

1）标称电压

标称电压也称额定电压，目前工业生产的锂聚合物电池，其单体电芯（单节电池）的额定电压都是3.7 V。单节电池由满电电压到放电终止电压的放电过程中，电压值并不是线性的，而是一条曲线，如图3.3所示。刚开始放电时，电压降低的速度比较接近于线性变化，在3.7 V时逐渐平缓，并持续较长一段时间，而后电压又迅速降低。所以，3.7 V左右是单节锂聚合物电池的最佳使用区段。正因为如此，在实际工程应用中，通常将报警电压设置为3.6 V，最低不得低于3.5 V，以有效延长电池的使用寿命。

图3.3　锂聚合物电池放电曲线

2）放电终止电压(www.xing528.com)

达到该电压时放电自动终止，也就是电池将停止工作，一般为2.5～2.75 V，不同厂家设置该参数时可能略有不同。若低于该电压还继续放电则称为过放，会造成电池寿命缩短甚至失效。

3）满电电压

满电电压即单节电池充满电时的电压。满电电压一般为4.2 V，高于4.2 V时还继续充电即为过充，同样会影响电池使用寿命。

注意：无论是过充还是过放，都会造成锂电池内部激烈的化学反应，电池内部会产生气体而形成膨胀且不可复原，严重时甚至会燃烧、爆炸。因此，锂聚合物电池在充、放电时一定要严守安全操作规程，避免出现责任事故。

图3.4　电池的串联与并联

4）电池的“S”数和“P”数

为了让电池能获得更高的工作电压和电量，必须对单节电池进行串联或并联构成聚合物锂电池组，如图3.4所示。串联节数用S数表示，并联用P数表示。如3S1P表示3片单节电池串联，总电压是11.1 V，电量不变；而2S2P则表示2片单节电池先串联，然后两个这样的串联结构再并联，总电压是7.4 V，电量是单节电池的2倍。

动力电池的电压越高就可以驱动动力更强的电机转动。小型多旋翼无人机上使用的通常都是1S或2S锂电池，中型多旋翼无人机上使用的通常是3S、4S电池，而6S及以上的电池通常用在更大的无人机上。

正常使用时，成品电池上都有两组线，如图3.5所示。其中的一组是两根粗的，用于电源输出，红正黑负；另一组细线是单节电池的引出线，用于平衡充电和电压检测，根数与电池组S数相关，2S时为3根，3S时为4根，6S时为7根，也是红正黑负。

5）电压报警器

电压报警器俗称“BB响”，是一个低电压报警装置，用于检测电池组的总电压和每块电芯的电压，同时，当电压低于设定值时，会通过蜂鸣器发出响亮的报警声（提供低电压报警），常用于1S～8S锂电池检测。

报警电压设定通过电压调节按钮实现。如图3.6所示，实际使用时，把“BB响”正面拿在手上，靠近大拇指的第一根脚针即为负极，与电池上平衡头的第一个插口相对应，接通后会听到两次滴滴声，之后显示屏将会循环显示ALL总电压以及第X节单片电池电压。

图3.5　锂电池引出线使用说明

图3.6　电压报警器的使用

（3）电池容量

容量是衡量电池性能的重要指标，决定了无人机的最长工作时间。聚合物锂电池的容量是指电池在一定放电条件下（放电倍率、温度和终止电压等）所能给出的电量，单位为A·h或mA·h。例如：容量为1 000 mA·h的电池，如果以1 A的电流放电，理论上可持续工作1 h，如果以500 mA的电流放电，则可持续放电2 h。但是因为电池放电并不是均匀的，所以实际使用时间和理论时间有一定差别。

知识拓展

①严格地讲，电池容量必须要指明放电条件，例如：在玩具车上不能用的电池说不定还能在石英钟上使用，因为两者的放电条件不一样；②电池容量和电池能量是两个不同的概念，电池容量乘以电池电压就是电池能量，单位为瓦时（W·h）。所以，电池容量的计量单位是A·h，而电池能量的计量单位是W·h。例如：乘飞机限制携带的电池为160 W·h。

（4）充/放电倍率

锂聚合物电池能以较大的电流充电或放电，而普通锂离子电池则不能，这是两者最重要的区别之一。电池在规定的时间内充入或放出其额定容量时所需要的电流值与额定容量的比值，称为电池的充/放电倍率，通常以字母C表示，它决定了电池充/放电的速率和时间长短。

例如：1 200 mA·h的电池，用0.2 C放电表示放电电流为240 mA（1 200 mA·h的0.2倍率），理论上放电时间为5 h；若改用1 C放电，则放电电流为1.2 A（1 200 mA·h的1倍率），理论上可使用1 h。

又如：1 000 mA·h电池用2 C快充，则充电电流为2 A（1 000 mA·h的2倍率），理论充电时间为0.5 h。

切记：低充/放电倍率的电池不可大电流放电，否则电池会迅速损坏，甚至自燃；同理，充电时千万不要图快贸然用大电流，超过规定参数充电，电池很容易缩短寿命和损坏。

（5）电池内阻

电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力称为电池内阻，由欧姆内阻与极化内阻两部分组成，其大小主要受电池的材料、制造工艺和电池结构等因素影响。

电池内阻对充/放电倍率影响较大，容量相同时，充/放电倍率越大则电池内阻越小，而减少内阻则意味着电池生产工艺及成本的提高，所以充/放电倍率越大电池越贵，同容量的30C电池价格可能是5C的3～4倍。另外请注意：电池内阻值大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短，科学的做法是按电池标定的参数，正确进行充/放电。