鉅大LARGE | 點擊量：2101次 | 2021年04月10日
電動無人機動力鋰離子電池技術(shù)介紹
1引言
近年來，在民用和特種無人機市場，無人機需求與日俱增，無人機產(chǎn)品迭代周期明顯縮短，與無人機系統(tǒng)相配套的航電系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，動力系統(tǒng)等也得到了高速發(fā)展，其中，聚合物鋰離子電池作為電動無人機目前重要的動力來源，影響著無人機的航程與航時，是直接制約無人機發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
2鋰離子電池原理
聚合物鋰離子電池，又叫做高分子鋰離子電池，是新一代的鋰離子電池，具有能量密度高、輕量化、可彎曲、可超薄化，可做成任意形狀等優(yōu)點。同樣體積的鋰聚合物鋰離子電池的容量能夠達到一般鋰離子電池的一倍，而且成本更低更安全。一般聚合物鋰離子電池用鋁塑或防火塑料包裝。
聚合物鋰離子電池的原理與液態(tài)鋰相同，重要差別是電解液與液態(tài)鋰不同。電池重要的構(gòu)造包括有正極、負極與電解質(zhì)三項要素。聚合物鋰離子電池在這三種重要構(gòu)造中至少有一項或一項以上使用高分子材料做為重要的電池系統(tǒng)。而在所開發(fā)的聚合物鋰離子電池系統(tǒng)中，高分子材料重要是被應(yīng)用于正極及電解質(zhì)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
正極材料包括導(dǎo)電高分子聚合物或一般鋰離子電池所采用的無機化合物，電解質(zhì)則可以使用固態(tài)或膠態(tài)高分子電解質(zhì)，或是有機電解液，一般鋰離子技術(shù)使用液體或膠體電解液，正極發(fā)生的反應(yīng)為：
負極采用鋰碳層間化合物L(fēng)ixC6等，其反應(yīng)為：
3重要性能參數(shù)
聚合物鋰離子電池作為一種電化學(xué)電源，天然的具有電壓、內(nèi)阻、容量、比能量、比功率等特性參數(shù)。出于兩個方面的目的，對電池的參數(shù)進行測量和評價。一個是為了實現(xiàn)主動控制的目的，比如，電池單體電壓不一致，使得系統(tǒng)能量存儲能力降低，假如能夠主動調(diào)節(jié)兩極的單體電壓，則可以起到放大系統(tǒng)容量的效果。另一個是為了安全考慮，電池的參數(shù)有其固定的范圍，檢測電池參數(shù)，執(zhí)行監(jiān)控其邊界，可以起到表征電池安全狀態(tài)的用途。聚合物鋰離子電池的重要性能參數(shù)是電池設(shè)計，生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對電池的性能評估起著重要用途。
3.1電壓
電池的開路電壓（V），即電池外部不接任何負載或電源，測量電池正負極之間的電位差，即為電池的開路電壓。工作電壓，與開路電壓相對應(yīng)，即電池外接上負載或電源，有電流流過電池，測量所得的正負極之間的電位差。
單片電芯是指1S電池，其額定電壓為3.7V。單片鋰電芯的實際電壓為2.75~4.2V，鋰電上標(biāo)的電容量是4.2V放電至2.75V所獲得的電量。每節(jié)鋰離子電池的電壓通常為3.7v到4.2v，也就是說每一節(jié)鋰離子電池的空電電壓為3.7v，滿電電壓為4.2v。
3.2電池容量
電池容量的含義：能夠容納或釋放的電荷Q，即Q=It，電池容量（Ah）＝電流（A）x放電時間（h），單位一般為Ah或mAh。例如電池標(biāo)注22000mAh，在工作時電流為1A時，理論上可以使用2.2h。
3.3電池能量
電池儲存的能量，單位為Wh（瓦時），能量（Wh）＝電壓（V）×電池容量（Ah）。
例如，標(biāo)識為3.7V/22000mAh的6S電池，其能量為488.4Wh，把2塊這樣的電池串聯(lián)，就組成了一個電壓是44.4V，容量為22000mAh的電池組，雖然沒有提高電池容量，但總能量確提高了2倍。
3.4能量密度
單位體積或單位質(zhì)量電池釋放的能量。假如是單位體積，即體積能量密度（Wh/L），很多地方直接簡稱為能量密度；假如是單位質(zhì)量，就是質(zhì)量能量密度（Wh/kg），也可稱作比能量。如一節(jié)鋰離子電池重300g，額定電壓為3.7V，容量為10Ah，則其比能量為123Wh/kg。比能量越大，電池續(xù)航能力越強。
3.5功率密度
將能量除以時間，便得到功率，單位為W或kW。同樣，功率密度是指單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率，單位為W/kg或W/L，也可稱作比功率。比功率是評價電池是否滿足電動無人機加速性能的重要指標(biāo)。比能量和比功率究竟有什么差別在于比能量高的動力鋰電池耐力好，可以長時間工作，保證無人機續(xù)航里程長；比功率高的動力鋰電池，響應(yīng)速度快，可以供應(yīng)很高的瞬間電流，提高無人機的加速性能。
3.6放電倍率
放電倍率（C）是指在規(guī)按時間內(nèi)放出其額定容量（Q）時所要的電流值，它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)。放電倍率決定了電池的放電電流（A），例如，關(guān)于容量為24Ah，放電倍率5C的電池，它的放電電流就是120A。假如其放電倍率為2C，0.5小時放電完畢；用12A充電，假如其充電倍率為0.5C，2小時充電完畢；
電池的充放電倍率，決定了我們可以以多快的速度，將一定的能量存儲到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來。
3.7荷電狀態(tài)
SOC，全稱是StateofCharge，荷電狀態(tài)，也叫剩余電量，代表的是電池放電后剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值。其取值范圍為0~1，當(dāng)SOC=0時表示電池放電完全，當(dāng)SOC=1時表示電池完全充滿。電池管理系統(tǒng)（BMS）就是重要通過管理SOC并進行估算來保證電池高效的工作，所以它是電池管理的核心。目前SOC估算重要有開路電壓法、安時計量法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。
3.8內(nèi)阻
內(nèi)阻（R）是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部受到的阻力。包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，其中：歐姆內(nèi)阻包括電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的電阻；極化內(nèi)阻包括電化學(xué)極化電阻和濃差極化電阻。
內(nèi)阻的單位一般是毫歐姆(m)，內(nèi)阻大的電池，在充放電的時候，內(nèi)部功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，會造成電池的加速老化和壽命衰減，同時也會限制大倍率的充放電應(yīng)用。所以，內(nèi)阻做的越小，電池的壽命和倍率性能就會越好。通常電池內(nèi)阻的測量方法有交流和直流測試法。
3.9自放電
電池自放電，是指在開路靜置過程中電壓下降的現(xiàn)象，又稱電池的荷電保持能力。
一般而言，電池自放電重要受制造工藝、材料、儲存條件的影響。自放電按照容量損失后是否可逆劃分為兩種：容量損失可逆，指經(jīng)過再次充電過程容量可以恢復(fù)；容量損失不可逆，表示容量不能恢復(fù)。目前對電池自放電原因研究理論比較多，總結(jié)起來分為物理原因（存儲環(huán)境，制造工藝，材料等）以及化學(xué)原因（電極在電解液中的不穩(wěn)定性，內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，活性物質(zhì)被消耗等），電池自放電將直接降低電池的容量和儲存性能。
3.10壽命
電池的壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個參數(shù)。循環(huán)壽命指的是電池可以循環(huán)充放電的次數(shù)。即在理想的溫濕度下，以額定的充放電電流進行充放電，計算電池容量衰減到80%時所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。日歷壽命是指電池在使用環(huán)境條件下，經(jīng)過特定的使用工況，達到壽命終止條件(容量衰減到80%)的時間跨度。日歷壽命與具體的使用要求緊密結(jié)合的，通常要規(guī)定具體的使用工況，環(huán)境條件，存儲間隔等。循環(huán)壽命是一個理論上的參數(shù)，而日歷壽命更具有實際意義。但日歷壽命的測算復(fù)雜，耗時長，所以一般電池廠家只給出循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)。
4無人機鋰離子電池的發(fā)展
4.1通用化
通用化的聚合物鋰離子電池具有上述聚合物鋰離子電池滿足重要性能等，能夠適用于不同重量級的無人機。無人機常用的電池為T型聚合物鋰離子電池，一端動力線轉(zhuǎn)接公母頭（一般用XT60）對接進行能量輸出。另一端信號線通常采用電壓檢測器等設(shè)備檢測
圖3電壓檢測器及鋰聚合物鋰離子電池
通用化聚合物鋰離子電池是無人機低成本的動力解決方法，但是會帶來諸多問題，例如，第一，無法實時監(jiān)測電池的電量，會有摔機的風(fēng)險。第二，沒有完善的充電管理，以及放電管理，充放電完成后要用電壓檢測器對電池進行檢測。第三，無法解決過放電問題。第四，由于經(jīng)常使用插頭連接，無法解決插頭老化問題，第四，電池易燃易爆，存在很大的安全隱患。第五，回收不便，鋰離子電池對環(huán)境污染大。第五，電池本身能量密度低，不能滿足無人機長航時的迫切需求。第六，拆裝不方便，無人機更換電池頻率高，影響用戶體驗等。
4.2智能化
智能化聚合物鋰電重要是直擊上述通用聚合物鋰離子電池使用痛點，進行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合無人機飛控系統(tǒng)和優(yōu)化電池管理系統(tǒng)，對電池實現(xiàn)智能化管理和控制。在電池結(jié)構(gòu)上，首先，選用ABS+PC防火材料，提高電池的防護等級。其次，快速充電口一體化設(shè)計，同時新增電源控制開關(guān)，體現(xiàn)操作的便捷性，再次，電池頭部的卡扣設(shè)計，便于快速拆卸。最后，兼顧電池外觀造型，實現(xiàn)智能電池產(chǎn)品化。
圖4智能鋰離子電池
在硬件上，給電池配上BMS電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，縮寫B(tài)MS）。BMS是連接無人機動力鋰電池和電動無人機的重要紐帶。BMS用于監(jiān)測并指示電池，電容狀況（電壓、溫度、電流、剩余能量），在異常情況下向用戶發(fā)出報警信號（聲光），嚴(yán)重時根據(jù)制定的控制策略切斷電力傳送鏈路，以保護電池從而延長電池使用壽命。
BMS由終端模塊、中央處理模塊和顯示模塊3大部分組成。終端模塊負責(zé)測量電池電壓及溫度、均衡電池能量，電流采樣和SOC計算，出現(xiàn)各類報警數(shù)據(jù)，控制充放電電路；顯示模塊負責(zé)顯示電池的數(shù)據(jù)，給出聲光報警，記錄數(shù)據(jù)等。當(dāng)系統(tǒng)電池總數(shù)較少時，中央處理模塊可以和終端模塊合并組成集成BMS系統(tǒng)以節(jié)省成本。
在上述硬件和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過軟件算法，實現(xiàn)對智能鋰離子電池的狀態(tài)進行實時監(jiān)測。智能化鋰離子電池的缺點是，市場版本眾多，電池的不兼容。智能化鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)化是一個急需解決的問題。
4.3固態(tài)化
鋰離子電池固體化發(fā)展重要是解決通用型鋰離子電池本身的安全隱患，綠色環(huán)保，低能量密度等問題，現(xiàn)有的液態(tài)鋰離子電池能量密度普遍僅有130-160Wh/kg，天花板在300Wh/kg左右。并且存在充電耗時長，安全性較低的劣勢。而固態(tài)鋰離子電池的能量密度則會高很多，全固態(tài)鋰離子電池的能量密度最高潛力達900Wh/kg，并且結(jié)構(gòu)更加安全，所以它一度被認為是理想的無人機動力鋰電池。
工作原理上，固態(tài)鋰離子電池和傳統(tǒng)的鋰離子電池并無差別。電池的兩端為電池的正負兩極，中間為液態(tài)電解質(zhì)。鋰離子通過電解質(zhì)在兩端來回運動，完成電池的充放電過程。重要差別是固態(tài)鋰離子電池只不過其電解質(zhì)為固態(tài)。固體鋰離子電池具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進而提升電池容量。
固態(tài)鋰離子電池有很多優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊。其中，兩個最明顯的優(yōu)勢就是能量密度更高，運行更安全。使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰離子電池可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以大大減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高?，F(xiàn)在許多實驗室中，都已經(jīng)可以小規(guī)模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池。固態(tài)電池在大電流下工作不會因出現(xiàn)鋰枝晶而刺破隔膜導(dǎo)致短路，不會在高溫下發(fā)生副反應(yīng)，不會因出現(xiàn)氣體而發(fā)生燃燒。
2020年前采用高鎳正極+準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負極實現(xiàn)300Wh/Kg，2025年前采用富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負極電池實現(xiàn)400Wh/Kg，2030年前燃料/鋰硫/空氣電池實現(xiàn)500Wh/Kg。
5結(jié)語
在節(jié)能減排，新能源利用等相關(guān)政策的大背景下，鋰離子電池技術(shù)作為電動動力機械的動力源，具有綠色環(huán)保，能量密度大，安全系數(shù)高等特點，是電動無人機動力系統(tǒng)的最佳選擇，也是無人機發(fā)展的必然趨勢。但是，鋰離子電池技術(shù)與無人機接口技術(shù)研究以及標(biāo)準(zhǔn)化制定之路。還有很多技術(shù)壁壘，仍需不斷創(chuàng)新與改革。
上一篇：鉛酸電池和鋰離子電池究竟哪個好？
