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消费级无人机的动力电池生态

站长折腾 KANZHAJI 1665浏览 3评论  赞 5

您正在阅读的这篇文本,是被重度拖延症站长拖怠了整月之久的结果。所以~ 可能…有点长,全文6000余字,建议您在这个冬季来一杯热饮慢慢读过。 :D


这并不是头回写电池的事儿,本站前文有 《动力电池-消费级无人机用户成本之痛》,主要讲无人机电池代差、成本构成、使用误区、接口相关的内容。而今天要说的是从未被完整提及,消费级无人机的动力电池生态。

供电,毫无疑问是无人机系统的核心,不管是飞行控制器、无线电收发模块、电机、电调都需要供电来喂饱,目前消费级无人机动力电池依旧是锂电池占据主导。锂电池具有轻巧、容量密度比大、耐用、充电快等优点。而相对其他类型的电池,锂电池自身特性娇贵,供电品质受温度、电流开销、电芯平衡性、放电曲线的影响,而供电品质的变化又反作用于无人机,电源策略不当更是有随时发生空难的可能。

问题从哪里来,就从哪里开始找~~

(下文中:仅作封装,直接物理供电输出,不带管理电路的电池简称为裸电。可通讯、带库仑计、具有温感器件管理电路的,简称为智能电池。)

1、电芯

电池由电芯组成,电芯能量密度越高、重量越轻,组装好的电池飞行续航时间越长。目前飞机动力锂电池都是钴酸锂电池(LiCoO2),而磷酸铁锂电池体积、重量都很大,而电压比较低,一般当充电包或者地面站供电。
钴酸锂电池标准电压3.7V,满电电压4.2V或4.35V,放电截止电压2.6V,不过一般厂家都是设定3.0V触发过放保护。锂铁电池标准电压是3.2V,满电电压3.6V,放电截止电压2V;
但在目前的电池技术下,能量密度与放电能力是一对矛盾体,放电能力强的高C电芯,在重量上同样高于低C电芯。
C数越高的电池循环寿命越短,消费级无人机的动力电池100个充放循环已属长寿,大多数情况下70循环就差不多不再符合飞行要求。
内阻越低的电芯放电能力越强,放电升温越低,反之亦然。而放电时的电芯温度,又将作用于锂电芯本身的化学特性,温度锂离子越低活性越低,电压更容易跌落。(所有才有了动力电在冬季需要为电池保温,预热)
比如:25C和10C放电能力的电芯,同样为5000ma容量,25C电芯就会重出不少。同样40A电流放电,10C电芯也会释放更多热量。
于是,厂家需要根据飞行测试,在能量密度最大化、电池升温辅助,和满足绝大部分飞行场景的放电需求上选择平衡点。
主流消费级多旋翼无人机为保证续航时间和机动开销,选择电芯的放电能力多在5~10C左右。
而很多航模无需多虑续航问题,3D直升机的一次飞行不过4分钟左右,电芯需求则25C起步~ 甚至有些比赛用锂电,放电能力达到65C。

选择好了适合的电芯,就可以根据无人机设计电压进行封装,由多片锂电芯通过并联或串联的组合完成输出。每一片锂电成为1S,12V供电就需要3片电芯串联,也就是最常见的3S 1P锂电。
而一些电池被设计为需要考虑单体电芯异常而增加冗余,于是每一S先用两片电芯并联再进行串联,成为3S 2P锂电,耗费6片电芯。
大疆从精灵2时代便开始使用3S 2P结构,到6S 2P的Inspire1则需使用多达12片锂电芯。

而便携机则对体重要求严格,大疆 Mavic Pro就只能用3S 1P结构,失去供电冗余获得更轻重量的电池。

选择好了电池容量、C数、电压、是否冗余,一块电池的基本就已经构建。但还不能开始组装,为啥呢?因为电池这一串联又引出个新问题,电芯的平衡性和一致性。
平衡性和一致性的前提是,组装好的电池在容量、内阻上一致,不管是充满后还是放电后,电池各个电芯应该有一致或偏差极小的电压(0.05V以内)。
如果电芯品质存在问题,就会出现一个或多个电芯电压不一致。当这种电压差异达到一定程度,比如大于0.2V,就会影响飞行安全。

(小米无人机电池)

2P结构的锂电因为有并联两块电芯背锅,不至于出现灾难性电压塌陷,可是1P结构的电池怎么办呢?12V供电的无人机,一个电芯瞬间掉到2V飞机多半药丸。这就只能寄望于电池大厂的电芯生产品控,严格分容分阻,国内锂电的四巨头ATL、BYD、力神、比克都能提供品质优良的电芯,大疆无人机电池多采用ATL电芯。
电芯从完成封装就开始了老化过程,即使出厂平衡性、一致性过关的电池,一段时间以后也可能产生不平衡现象。一旦出现这些问题的电池是无法维修的,只能更换,这是目前电池技术无法彻底避免的。

(严重多电芯不平衡的大疆悟2电池)

而且随着电池充放电循环数的增加,充放电循环过程会对电极材料的微观结构造成不可逆损伤,循环越多损伤越严重表现就是容量越来越小,而内阻也会随电池循环增加越来越高。

(大疆无人机电池)

2、温度特性

锂电能量密度越高、重量越轻是不争的事实,可是这个小傲娇并不好伺候,低温、高温、过流、过充、过放,都会引起供电品质和电池寿命的变化。市面上成品电池的印刷标称性能,通常都是在基于25摄氏度的室温下达成的,在低温下,它们的表现可就不一定了。比如5000ma 3S电池,越低温环境输出能力会打有越多折扣,当温度降低到-3摄氏度,放电容量会损失20%以上。在一般情况下,低温使用锂电并不伤害电池,只要回到其适用的环境温度,可恢复性能。

而在超低的温度下(低于-20摄氏度),电池中的电解液有可能析出晶体,这些晶体析出后不一定能在回暖后完全溶解回去,可导致电池永久恶化。这也是站长一直呼吁的各位飞手,在低温场景下,应该全程为电池保温,而不仅仅是飞行前为电池加温。而刚刚放电结束的滚烫电池,立即充电会极大影响电池寿命,温度过高的电池内部同样会发生负面的化学反应,严重的甚至会直接鼓包。
而放电达到75度以上的电芯~~ 烟火你见过嘛~…下一秒可能是你的无人机。 :D

如仅作为裸电封装,以上温度特性都是需要使用者获悉的。而如果是一块同时封装了管理电路的电池,则需要在充电、放电环节,根据封装电芯特性介入温度管理职能。

低温下大动作打杆,容易导致电流猛增后电压飞速跌落,如果你无法实时的获取电池温度信息,低温下打杆请多些温柔。
消费级无人机常用的低C锂电(内阻大发热也大,靠内阻发热一定程度上缓解了电池的低温低能问题),在低温环境下采用电池全程保温,起飞后悬停预热到20度以上的办法,通常可以保证使用安全。而极低温的环境,精灵系列用胶带封闭散热口,悟1为电池贴上暖宝宝,都是常用的保温办法。
那厂家不能给电池加上预热模块么?当然可以~ 但是电池重、续航短、还贵、良品率也下来了,目前也只有悟2这种高端航拍机电池会去满足这些需求。
因此!!发售在冬季的消费级无人机因为掉电导致的事故率,远高于其他季节发售的机型。 (看什么看,我又没明说是某Air :D )
冬季可以工作在-20℃的磷酸铁锂动力电池就能发挥优势了,可惜这种电池电压很低~~ 多串联带来更多死重,不足以弥补续航时间,在固定翼无人机上也鲜有采用。

3、负载特性

锂电池在负载越大时发热越严重,放电能力的高低决定了负载电流与电池升温的比例关系。在冬季,废热的好处是可以用于提升电芯温度保证电池的化学材料活性,稳定电压。而夏季,这种升温如果超过一定阀值,对飞行安全恰恰是起反作用的。
在锂电放电接近3V处于放电末端,放电能力会陡峭下降,所以无人机一般把严重低压值设置在每个电芯3.3V附近。
智能电池可以根据无人机开销电流,通过机动性限制、高度下降实时管控电流在电池承受范围内,比裸电飞行有更高安全系数。

4、容量和续航

电池的容量相对无人机的续航时间,有着与汽油与汽车类似的原理。都与多个外部因素相关,占据主要决定因素的油门输出量、自然环境、温度的高低会直观的反映在续航时间上。因此~所有电池的容量和续航,都估算的是一个近!似!值!随着外部变量的时刻变化而变化。
这也是经常新手容易歧义的部分,认为同型号机型续航时间应该一致,殊不知风力不同、海拔不同、飞行手法的差异、温度的差异,续航时间不可能一致。同理,有多年驾驶经验的司机,与新手开车上路,同一箱油会跑出较大的里程数差异。如果硬要按出厂时一箱油可以跑多少公里,就一定开到这个公里数才算完~ 恭喜,发动机即将开始拉缸表演。
而在整个无人机系统的用电环境中,电池的输出电压才是在整个飞行周期内占据绝对主导地位的存在。只要电压低于预设值,即使电流计计算只放出一半的电量,低压下可能导致无人机失能,软件逻辑上也应优先保全无人机,执行返航或降落。

在整个飞行周期中,电压会随着外部变量和飞行控制器输出而起伏,裸电只能依据飞手经验判断。而智能电池因为可以与飞行控制器通讯,通过当前电池温度、电流开销、消耗容量、返航距离、高度可计算出精度更高的续航时间,飞行控制器也得以更从容的判定是否还有足够电量返航,还是应该执行降落。
但是~ 电池的自放电特性,对于容量计算是天敌。存放一段时间的电池、新购买电池的未充电电池,由于自放电特性,容量计算会存在偏差。
上一刻还有31%容量。

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下一秒就给你来个8%迫降到海水里~~ 你说刺激不刺激? :D

dji.mov_20150721_201113.807电池的自放电跟踪,到现在业内都木有很好的解决方案,智能电池在这种情况下,也可能变成智障电池。因此,飞行前将电池充满电,不用库存电、不用残余电,是飞行安全的基本功课。

5、外部封装和物理连接

能量密度大,放电猛~ 带来的另一个问题是,锂电池电芯穿刺后极易燃烧起火。

(炸机起火燃烧后的精灵3电池)
厂家依旧需要在多个需求点中找出平衡:
1、为保证飞机续航,电池封装不能沉重。
2、需要为软包电芯提供一定的耐冲击能力。
3、为迁就电池的温度特性,又要考虑兼顾散热和保温。
4、接入无人机后的物理牢靠度。

接入无人机的物理牢靠度或许你认为不就是个正负极么  :kb 请~不要小看~ GoPro KARMA在物理连接上已经妥妥的死过了一回。
“在Karma发布仅仅16天之后,因为存在突然断电的问题,GoPro就宣布召回所有已售出的Karma无人机,约2500架。“

(GOPRO KARMA电池)

(GOPRO KARMA供电接口)

GoPro CEO Nick Woodman曾表示,Karma被召回的原因很简单,就是出现了一个与电池保持机制相关的机械问题,以致飞机时的振动会让少量电池从连接器松动,从而失去电力。虽然GoPro称,升级版的Karma将不会再出现之前的问题,但已错过了市场时机。

而智能动力电池还需与无人机连接电池通讯端口,用于传输各个电芯电压、温度、电流开销等信息,以上数据是无人机计算续航时间,飞行策略决断的关键数据。
如:通电后,飞控判断存在电芯差异大于0.2V的单元,存在供电隐患,应提示电池异常并禁止起飞。当然,具体电池传输数据的作用,下面会逐步诠释。

6、温控策略

因为电池性能对温度的敏感性,智能电池传输给飞行控制器的电池温度就派上用场了。
最基本的温控策略,电池低于一定温度,可以用禁止起飞,或限制飞行高度和限制机动性的办法来稳定无人机的电池电压波动,待电池温度回升,再解除限制。
全球销量最大的大疆无人机,在这些方面做了大量的尝试和改进。也经历过低温硬限制起飞,到后期机动性限制的改进,平衡消费者的使用权和无人机供电安全。
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精灵2通过硬限制下降速率到最大2米/秒,悟1、精灵3为提高无人机性能,跟据温度、电流变量加入动态机动性限制,都是为将无人机因温度引起的供电波动控制在可接受范围内。
智能电池与飞行控制器配合,在温度条件不适宜的情况下对飞行行为进行限制,提高了无人机供电安全性。
仅用裸电的无人机,也可以通过单一的飞行控制器温度数据来限制起飞、减小舵量。

7、过放和满电

因为锂电池本身的物理特性,过放和长时间满电存储都会损伤电池。
大疆对于电池过放采取了强制关闭策略,以电池为主体,电池低于设定最低电压值(单体电芯3V),直接关闭电池输出,保全电池完好。

下面这个视频是站长的精灵2因为大风飞不回去,最终飞到低压截止电池直接关闭输出,垂直落体。

而其他厂家并未采用这种略显激进的策略,比如小米的无人机电池低压并不关闭电池输出,以无人机供电作为优先考虑。

但从消费级无人机市场反馈而言,过放直接关闭电池输出的策略,带来了更好电池保全度,用户贪飞用坏电池也是做不到的。不过有的用户长期存储未充电,也会因为电池自身缓慢放电产生过放。
而过放不关闭输出的电池,在新手不用到螺旋桨停转才罢休的情况下,表现出更多电池因为过放提前完结寿命。
当然,专业玩家手里,无论电池如何低压,关闭电池导致垂直落体都是不可接受的。
两种策略其实都对,只是面对不同认知能力的消费者,会体现出不同结果。当然了,裸电根本不具备电源管理能力,无法自主关闭。

目前市面上具备主动放电到存储电压,避免长时间满电存放损坏锂电的,貌似就大疆一家~
裸电如已充满电又不方便飞行,就得靠自己想办法放电了。
PS:据群友反馈,ACE格式也有具备自动放电管理功能的封装电池。

8、低压和过流策略

电压作为无人机运转的核心参数,低于一定阀值会直接导致电子器件停摆,危害无人机安全。低压不允许起飞,飞行中低压执行返航或降落,是所有无人机都具备的最基本策略。

在任何情况下,电压权重都高于容量,即使还有剩余容量,无人机也会优先根据电压决定具体策略。所以会出现容量计算还有50%,无人机一样会在某些场景下执行低压降落程序,旧电池、非充满的电池在低温天气做机动飞行,这个问题会更加严重。

低压触发无人机执行保护策略是没错的,但需妥善考虑特殊场景下的需要,至少应通过APP带超时选择的办法提醒飞手将会执行的保护策略,并允许人工强制取消,把选择权留给飞手。
比如:执行智能环绕的过程中,如果电池低压直接执行降落而不是悬停,等待用户选择执行保护策略,自顾自的降落有可能造成其他损失。
哪怕处于严重低压需要执行降落策略的情况下,只要有遥控器信号,也应允许飞手完整操纵飞行器,只是对机动性做一定程度的限制并持续下降,只为将最高操作权始终交给飞手。
大疆的悟2电池策略就特别增加了允许过放:

而在某些场景下,飞行过程中还会出现接近智能电池最大输出电流的情况,过流会导致电池严重发热和鼓包,甚至直接损毁电子部件,通过限制机动性可以保护无人机。

自组无人机因为没有智能电池和系统化的电源管理方案,长时间过流就没那么走运了~

(站长自己的大疆 WKM飞控六轴挂微单云台,在姿态模式下进行全速飞行测试偏航问题,电调长时间过流在空中直接起火)


原帖地址:《六轴空中电调起火烧毁手动完成返航
初始设计功率冗余不足的便携无人机,对于过流会更加敏感。而结合飞行器姿态、电流开销、打杆舵量、飞行器位移量,可以估算当前无人机运转环境的风力,实现大风预警。

大疆首先在消费级多旋翼无人机实现了这个功能,在过流保护监控的同时,也为飞手提供了更直接的风力参考。(最早想到这个点子的,肯定是个天才~~ :D

9、充电

把充电放在最后一段来说并不是说充电不重要,相反,无人机的动力锂电过充(达到4.8V以上)是百分百要起火燃烧的。

因消费级无人机采用的电池C数普遍不高,所以充电电流也基本都在10A左右,配合原厂充电器使用罕有起火案例。使用非原厂充电器为电池充电时,充电电流过大容易让液态锂离子和固态锂聚合物电池电极长出枝状晶体,最终导致电池过早老化,需谨慎设置充电电流和截止电压。
站长也建议充电过程全程有人值守,一些轻微受损的电池在老化过程中,不是没有充电起火的可能。


综上所述,一块合格的无人机电池,不仅仅需要从选材、封装、物理连接、自保护策略上合格,还需要无人机飞行控制器配合一系列温控、流控逻辑和电压策略才能完善运作。而作为一名合格的无人机飞手,你应该了解这些。
2018,愿大家的无人机都飞得更安全。

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网友最新评论 (3)

  1. 感谢站长的长篇科普文 :x 祝各位2018告别炸鸡(•̀⌄•́)
    玹狸3个月前 (02-07) [俄罗斯 网友]回复
  2. 长知识啊!!!春节快乐~ :x
    tczzya3个月前 (02-07) [新加坡 网友]回复
    • KANZHAJI
      同乐同乐,哈哈
      KANZHAJI3个月前 (02-07) [四川省成都市 电信网友]回复