电动无人机动力锂电池技术解释

1引言

近年来，在民用和特种无人机市场，无人机需求与日俱增，无人机产品迭代周期明显缩短，与无人机系统相配套的航电系统，导航系统，数据链系统，动力系统等也得到了高速发展，其中，聚合物锂电池作为电动无人机目前主要的动力来源，影响着无人机的航程与航时，是直接制约无人机发展与应用的关键因素。

2锂电池原理

聚合物锂电池，又叫做高分子锂电池，是新一代的锂电池，具有能量密度高、轻量化、可弯曲、可超薄化，可做成任意形状等优点。同样体积的锂聚合物锂电池的容量能够达到一般锂电池的一倍，而且成本更低更安全。一般聚合物锂电池用铝塑或防火塑料包装。

聚合物锂电池的原理与液态锂相同，主要区别是电解液与液态锂不同。电池主要的构造包括有正极、负极与电解质三项要素。聚合物锂离子电池在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料做为主要的电池系统。而在所开发的聚合物锂离子电池系统中，高分子材料主要是被应用于正极及电解质。

正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子电池所采用的无机化合物，电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质，或是有机电解液，一般锂离子技术使用液体或胶体电解液，正极发生的反应为：

负极采用锂—碳层间化合物LixC6等，其反应为：

总反应表达式为:

图1聚合物锂电池反应过程

3主要性能参数

聚合物锂电池作为一种电化学电源，天然的具有电压、内阻、容量、比能量、比功率等特性参数。出于两个方面的目的，对电池的参数进行测量和评价。一个是为了实现主动控制的目的，比如，电池单体电压不一致，使得系统能量存储能力降低，如果能够主动调节两极的单体电压，则可以起到放大系统容量的效果。另一个是为了安全考虑，电池的参数有其固定的范围，检测电池参数，实施监控其边界，可以起到表征电池安全状态的作用。聚合物锂电池的主要性能参数是电池设计，生产过程中的一个重要环节，对电池的性能评估起着重要作用。

3.1电压

电池的开路电压（V），即电池外部不接任何负载或电源，测量电池正负极之间的电位差，即为电池的开路电压。工作电压，与开路电压相对应，即电池外接上负载或电源，有电流流过电池，测量所得的正负极之间的电位差。

单片电芯是指1S电池，其额定电压为3.7V。单片锂电芯的实际电压为2.75~4.2V，锂电上标的电容量是4.2V放电至2.75V所获得的电量。每节锂电池的电压通常为3.7v到4.2v，也就是说每一节锂电池的空电电压为3.7v，满电电压为4.2v。

3.2电池容量

电池容量的定义：能够容纳或释放的电荷Q，即Q=It，电池容量（Ah）＝电流（A）x放电时间（h），单位一般为Ah或mAh。例如电池标注22000mAh，在工作时电流为1A时，理论上可以使用2.2h。

3.3电池能量

电池储存的能量，单位为Wh（瓦时），能量（Wh）＝电压（V）×电池容量（Ah）。

例如，标识为3.7V/22000mAh的6S电池，其能量为488.4Wh，把2块这样的电池串联，就组成了一个电压是44.4V，容量为22000mAh的电池组，虽然没有提高电池容量，但总能量确提高了2倍。

3.4能量密度

单位体积或单位质量电池释放的能量。如果是单位体积，即体积能量密度（Wh/L），很多地方直接简称为能量密度；如果是单位质量，就是质量能量密度（Wh/kg），也可称作比能量。如一节锂电池重300g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其比能量为123Wh/kg。比能量越大，电池续航能力越强。

3.5功率密度

将能量除以时间，便得到功率，单位为W或kW。同样，功率密度是指单位质量或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L，也可称作比功率。比功率是评价电池是否满足电动无人机加速性能的重要指标。比能量和比功率究竟有什么区别在于比能量高的动力电池耐力好，可以长时间工作，保证无人机续航里程长；比功率高的动力电池，响应速度快，可以提供很高的瞬间电流，提高无人机的加速性能。

3.6放电倍率

放电倍率（C）是指在规定时间内放出其额定容量（Q）时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数。放电倍率决定了电池的放电电流（A），例如，对于容量为24Ah，放电倍率5C的电池，它的放电电流就是120A。如果其放电倍率为2C，0.5小时放电完毕；用12A充电，如果其充电倍率为0.5C，2小时充电完毕；

电池的充放电倍率，决定了我们可以以多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。

图212s锂聚合物锂电池

3.7荷电状态

SOC，全称是StateofCharge，荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池放电后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。其取值范围为0~1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。电池管理系统（BMS）就是主要通过管理SOC并进行估算来保证电池高效的工作，所以它是电池管理的核心。目前SOC估算主要有开路电压法、安时计量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等。

3.8内阻

内阻（R）是指电池在工作时，电流流过电池内部受到的阻力。包括欧姆内阻和极化内阻，其中：欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的电阻；极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。

内阻的单位一般是毫欧姆(mΩ)，内阻大的电池，在充放电的时候，内部功耗大，发热严重，会造成电池的加速老化和寿命衰减，同时也会限制大倍率的充放电应用。所以，内阻做的越小，电池的寿命和倍率性能就会越好。通常电池内阻的测量方法有交流和直流测试法。

3.9自放电

电池自放电，是指在开路静置过程中电压下降的现象，又称电池的荷电保持能力。

一般而言，电池自放电主要受制造工艺、材料、储存条件的影响。自放电按照容量损失后是否可逆划分为两种：容量损失可逆，指经过再次充电过程容量可以恢复；容量损失不可逆，表示容量不能恢复。目前对电池自放电原因研究理论比较多，总结起来分为物理原因（存储环境，制造工艺，材料等）以及化学原因（电极在电解液中的不稳定性，内部发生化学反应，活性物质被消耗等），电池自放电将直接降低电池的容量和储存性能。

3.10寿命

电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个参数。循环寿命指的是电池可以循环充放电的次数。即在理想的温湿度下，以额定的充放电电流进行充放电，计算电池容量衰减到80%时所经历的循环次数。日历寿命是指电池在使用环境条件下，经过特定的使用工况，达到寿命终止条件(容量衰减到80%)的时间跨度。日历寿命与具体的使用要求紧密结合的，通常需要规定具体的使用工况，环境条件，存储间隔等。循环寿命是一个理论上的参数，而日历寿命更具有实际意义。但日历寿命的测算复杂，耗时长，所以一般电池厂家只给出循环寿命的数据。

4无人机锂电池的发展

4.1通用化

通用化的聚合物锂电池具有上述聚合物锂电池满足主要性能等，能够适用于不同重量级的无人机。无人机常用的电池为T型聚合物锂电池，一端动力线转接公母头（一般用XT60）对接进行能量输出。另一端信号线通常采用电压检测器等设备检测。

图3电压检测器及锂聚合物锂电池

通用化聚合物锂电池是无人机低成本的动力解决方案，但是会带来诸多问题，例如，第一，无法实时监测电池的电量，会有摔机的风险。第二，没有完善的充电管理，以及放电管理，充放电完成后需要用电压检测器对电池进行检测。第三，无法解决过放电问题。第四，由于经常使用插头连接，无法解决插头老化问题，第四，电池易燃易爆，存在很大的安全隐患。第五，回收不便，锂电池对环境污染大。第五，电池本身能量密度低，不能满足无人机长航时的迫切需求。第六，拆装不方便，无人机更换电池频率高，影响用户体验等。

4.2智能化

智能化聚合物锂电主要是直击上述通用聚合物锂电池使用痛点，进行了优化设计，结合无人机飞控系统和优化电池管理系统，对电池实现智能化管理和控制。在电池结构上，首先，选用ABS+PC防火材料，提高电池的防护等级。其次，快速充电口一体化设计，同时增加电源控制开关，体现操作的便捷性，再次，电池头部的卡扣设计，便于快速拆卸。最后，兼顾电池外观造型，实现智能电池产品化。

图4智能锂电池

在硬件上，给电池配上BMS电池管理系统（BatteryManagementSystem，缩写BMS）。BMS是连接无人机动力电池和电动无人机的重要纽带。BMS用于监测并指示电池，电容状况（电压、温度、电流、剩余能量），在异常情况下向用户发出报警信号（声光），严重时根据制定的控制策略切断电力传送链路，以保护电池从而延长电池使用寿命。

BMS由终端模块、中央处理模块和显示模块3大部分组成。终端模块负责测量电池电压及温度、均衡电池能量，电流采样和SOC计算，产生各类报警数据，控制充放电电路；显示模块负责显示电池的数据，给出声光报警，记录数据等。当系统电池总数较少时，中央处理模块可以和终端模块合并组成集成BMS系统以节省成本。

在上述硬件和结构基础上，通过软件算法，实现对智能锂电池的状态进行实时监测。智能化锂电池的缺点是，市场版本众多，电池的不兼容。智能化锂电池标准化是一个急需解决的问题。

图5智能锂电池软件界面

4.3固态化

锂电池固体化发展主要是解决通用型锂电池本身的安全隐患，绿色环保，低能量密度等问题，现有的液态锂离子电池能量密度普遍仅有130-160Wh/kg，天花板在300Wh/kg左右。并且存在充电耗时长，安全性较低的劣势。而固态锂离子电池的能量密度则会高很多，全固态锂离子电池的能量密度最高潜力达900Wh/kg，并且结构更加安全，所以它一度被认为是理想的无人机动力电池。

工作原理上，固态锂电池和传统的锂电池并无区别。电池的两端为电池的正负两极，中间为液态电解质。锂离子通过电解质在两端来回运动，完成电池的充放电过程。主要区别是固态锂电池只不过其电解质为固态。固体锂电池具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。

图6锂离子电池和固态锂电池示意图

固态锂电池有很多优势，发展前景广阔。其中，两个最明显的优势就是能量密度更高，运行更安全。使用了全固态电解质后，锂电池可以不必使用嵌锂的石墨负极，而是直接使用金属锂来做负极，这样可以大大减轻负极材料的用量，使得整个电池的能量密度有明显提高。现在许多实验室中，都已经可以小规模批量试制出能量密度为300-400Wh/kg的全固态电池。固态电池在大电流下工作不会因出现锂枝晶而刺破隔膜导致短路，不会在高温下发生副反应，不会因产生气体而发生燃烧。

图7固态锂电池发展规划

2020年前采用高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现300Wh/Kg，2025年前采用富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池实现400Wh/Kg，2030年前燃料/锂硫/空气电池实现500Wh/Kg。

5结语

在节能减排，新能源利用等相关政策的大背景下，锂电池技术作为电动动力机械的动力源，具有绿色环保，能量密度大，安全系数高等特点，是电动无人机动力系统的最佳选择，也是无人机发展的必然趋势。但是，锂电池技术与无人机接口技术研究以及标准化制定之路。还有很多技术壁垒，仍需不断创新与改革。