浅析电动无人机动力锂电池技术

1简介

近年来,在民用和军用无人机市场,对无人机的需求日益增加,无人机产品的迭代周期明显缩短.与无人机系统兼容的航电系统、导航系统和数据链系统、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的主要动力来源,影响着无人机的航程和飞行时间,是直接制约无人机发展和应用的关键.因素.

2锂电池原理

聚合物锂电池又称聚合物锂电池,是新一代锂电池,具有能量密度高、重量轻、柔韧、超薄、可做成任何形状等优点.同体积的锂聚合物锂电池的容量可以达到一般锂电池的两倍,成本更低,更安全.一般聚合物锂电池采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,主要区别在于电解液与液态锂不同.电池的主要结构包括正极、负极和电解液三个要素.聚合物锂离子电池在这三种主要结构中的至少一种或多种中使用聚合物材料作为主要电池系统.在开发的聚合物锂离子电池系统中,聚合物材料主要用于正极和电解液.

正极材料包括一般锂离子电池中使用的导电聚合物或无机化合物.电解质可以使用固体或胶体聚合物电解质,或有机电解质.一般锂离子技术采用液体或胶体电解.正极的反应为:

负极采用锂碳插层化合物LixC6等,反应式为:

总反应式为:

3主要性能参数

聚合物锂电池作为电化学电源,自然具有电压、内阻、容量、比能量、比功率等特性参数.出于两个目的,测量和评估电池的参数.一是达到主动控制的目的.例如,电池单体电压不一致,降低了系统的储能能力.如果能主动调节两极的单体电压,就能达到放大系统容量的效果.另一个是出于安全考虑.电池参数有固定范围.检测电池参数并监控其边界可以在表征电池的安全状态方面发挥作用.聚合物锂电池的主要性能参数是电池设计作为生产过程中的一个重要环节,在电池性能评价中起着重要的作用.

3.1电压

电池的开路电压(V),即在电池外部不接任何负载或电源的情况下,测量电池正负极之间的电位差,即电池的开路电压电池.工作电压对应于开路电压,即电池接负载或电源,电流流过电池.测量的正负极之间的电位差.

单体电池是指额定电压为3.7V的1S电池.单片锂电池的实际电压是2.75~4.2V,锂电池的容量就是4.2V放电到2.75V得到的电量.每节锂电池的电压通常为3.7v到4.2v,也就是说每节锂电池的空电压为3.7v,满电压为4.2v.

3.2电池容量

电池容量的定义:可容纳或释放的电量Q,即Q=It,电池容量(Ah)=电流(A)×放电时间(h),单位一般为Ah或mAh.比如电池标为22000mAh,工作时电流为1A,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).

比如标有3.7V/22000mAh的6S电池,能量为488.4Wh.将两块这样的电池串联起来会形成一个电压为44.4V、容量为22000mAh的电池组,虽然电池没有增加容量,但总能量确实增加了2倍.

3.4能量密度

电池每单位体积或单位质量释放的能量.如果是单位体积,即体积能量密度(Wh/L),在很多地方直接称为能量密度;如果是单位质量,就是质量能量密度(Wh/kg),也可以称为比能.如果锂电池重300g,额定电压3.7V,容量10Ah,比能量123Wh/kg.比能量越大,电池寿命越长.

3.5功率密度

将能量除以时间以获得以W或kW为单位的功率.同理,功率密度是指电池单位质量或单位体积所输出的功率,单位为W/kg或W/L,也可称为比功率.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.比能量和比功率不同的是,比能量更高的动力电池续航能力好,可以长时间工作,保证无人机的远航程;比功率更高的动力电池响应速度快,可以提供高瞬时电流,提升无人机性能.加速性能.

3.6放电率

放电率(C)是指在规定时间内将其额定容量(Q)放电所需的电流值,在数值上等于电池额定容量的倍数.放电率决定了电池的放电电流(A).例如,对于容量为24Ah、放电倍率为5C的电池,其放电电流为120A.若放电率为2C,则0.5小时内完成放电;12A充电,0.5C充电2小时完成;

电池的充放电速率决定了我们能以多快的速度将一定量的能量储存在电池中,或者以多快的速度释放电池中的能量.

3.7充电状态

SOC,全称StateofCharge,荷电状态,又称剩余电量,表示电池放电后剩余容量与其充满电容量之比.取值范围为0~1.当SOC=0时,电池完全放电,当SOC=1时,电池充满电.电池管理系统(BMS)主要对SOC进行管理和估算,以保证电池的高效运行,因此是电池管理的核心.目前SOC估算主要有开路电压法、安时测量法、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时的电阻.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、隔膜电阻和各部分的电阻;极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻.

内阻的单位一般为毫欧(mΩ).内阻大的电池在充放电过程中会造成内部功耗高、发热严重,会导致电池加速老化和寿命下降,也会限制其高倍率充放电应用.因此,内阻越小,电池寿命和倍率性能越好.一般有交流和直流两种测试方法来测量电池的内阻.

3.9自放电

电池自放电是指在开路过程中电压下降的现象它被称为电池的电荷保持能力.

一般来说,电池自放电主要受制造工艺、材料和储存条件的影响.自放电根据容量损失是否可逆分为两种:容量损失是可逆的,即重新充电后容量可以恢复;容量损失是不可逆的,即容量无法恢复.目前,关于电池自放电原因的研究理论很多.综上所述,分为物理原因(储存环境、制造工艺、材料等)和化学原因(电解液中电极不稳定、内部发生化学反应、活性物质消耗等)、自放电电池的容量会直接降低电池的容量和存储性能.

3.10寿命

电池的寿命分为两个参数:循环寿命和日历寿命.循环寿命是指电池在循环中可以充电和放电的次数.即在理想的温度和湿度下,以额定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.日历寿命是指在特定的使用环境条件下,电池达到报废状态(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,通常需要规定具体的使用条件、环境条件、存放间隔等.循环寿命是一个理论参数,日历寿命更实用.但是日历寿命的计算比较复杂,耗时较长,所以一般电池厂商只提供循环寿命的数据.

4无人机锂电池的发展

4.1泛化

广义的聚合物锂电池具有上述聚合物锂电池满足主要性能等特点,可适用于不同重量级的无人机.无人机常用电池为T型聚合物锂电池,电源线一端接公母接头(一般为XT60)进行能量输出.信号线的另一端通常由电压检测器等设备检测

通用聚合物锂电池是无人机的低成本电源解决方案,但会带来很多问题.比如第一,无法实时监控电池电量,会有死机的风险.二是没有完善的充放电管理.充放电完成后,需要一个电压检测器来检测电池.第三,过放问题无法解决.第四,由于频繁使用插头连接,无法解决插头老化问题.第四,电池易燃易爆,安全隐患大.五是回收不便,锂电池污染环境.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.六是拆装不便,无人机更换电池频率高,影响用户体验.

4.2智能

智能聚合物锂电池主要是直击上述通用聚合物锂电池的痛点.经过优化设计,结合无人机飞控系统和优化的电池管理系统,实现电池智能管控.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,快充口的一体化设计,同时增加了电源控制开关,体现了操作的便捷性.第三,电池头上的卡扣设计,方便快速拆卸.最后,兼顾电池的外观,实现智能电池的商业化.

在硬件上,为电池配备BMS电池管理系统(BatteryManagementSystem,简称BMS).BMS是连接无人机动力电池和电动无人机的重要环节.BMS用于监测和指示电池和电容状态(电压、温度、电流、剩余电量),并在异常情况下向用户发出报警信号(声光),并根据情况切断电力传输链路.制定控制策略来保护它.电池因此延长了电池寿命.

BMS由三大部分组成:终端模块、中央处理模块和显示模块.终端模块负责测量电池电压和温度,平衡电池能量,电流采样和SOC计算,产生各种报警数据,控制充放电电路;显示模块负责显示电池数据,发出声光报警,记录数据.当系统电池总数较少时,可将中央处理模块与终端模块组合,形成一体化BMS系统,节省成本.

在上述硬件和结构的基础上,通过软件算法实现对智能锂电池状态的实时监控.智能锂电池的缺点是市场版本多,电池不兼容.智能锂电池的标准化是亟待解决的问题.

4.3固态

固态锂电池的发展主要是为了解决通用锂电池本身的安全隐患、绿色环保、能量密度低等问题,现有液态锂离子电池的能量密度一般只有130-160Wh/kg,上限在300Wh/kg左右.而且充电时间长,安全性低坏处.固态锂离子电池的能量密度会高很多.全固态锂离子电池能量密度高达900Wh/kg,结构更安全,一度被认为是理想的无人机动力电池.

在工作原理上,固态锂电池与传统锂电池没有区别.电池的两端是电池的正负极,中间是电解液.锂离子通过电解液在两端来回移动,完成电池的充放电过程.主要区别在于固态锂电池只有固体电解质.固态锂电池的密度和结构可以让更多的带电离子聚集在一端,传导更多的电流,从而提高电池容量.

固态锂电池具有诸多优势和广阔的发展前景.其中,两个最明显的优势是更高的能量密度和更安全的运行.使用全固态电解质后,锂电池不需要使用插锂石墨负极,而是直接使用金属锂作为负极,可以大大减少负极材料用量,显着提高整个电池的能量密度.现在很多实验室都可以小批量试产能量密度在300-400Wh/kg的固态电池.固态电池在大电流下工作时不会因锂枝晶的出现而刺破隔膜而造成短路,在高温下不会产生副反应,不会因产气而燃烧.

到2020年采用高镍正极+准固态电解质+硅碳负极达到300Wh/Kg,2025年前采用富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池达到400Wh/Kg,燃料/锂硫/空气电池在2030年前达到500Wh/Kg.