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淺析電動無人機動力鋰電池技術
發布時間:2019-04-18 09:37:16
關鍵詞:動力電池 鋰電池

淺析電動無人機動力鋰電池技術


1 引言


近年來,在民用和軍用無人機市場,無人機需求與日俱增,無人機產品迭代周期明顯縮短,與無人機系統相配套的航電系統,導航系統,數據鏈系統,動力系統等也得到了高速發展,其中,聚合物鋰電池作為電動無人機目前主要的動力來源,影響著無人機的航程與航時,是直接制約無人機發展與應用的關鍵因素。


2 鋰電池原理


聚合物鋰電池,又叫做高分子鋰電池,是新一代的鋰電池,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點。同樣體積的鋰聚合物鋰電池的容量能夠達到一般鋰電池的一倍,而且成本更低更安全。一般聚合物鋰電池用鋁塑或防火塑料包裝。


聚合物鋰電池的原理與液態鋰相同,主要區別是電解液與液態鋰不同。電池主要的構造包括有正極、負極與電解質三項要素。聚合物鋰離子電池在這三種主要構造中至少有一項或一項以上使用高分子材料做為主要的電池系統。而在所開發的聚合物鋰離子電池系統中,高分子材料主要是被應用于正極及電解質。


正極材料包括導電高分子聚合物或一般鋰離子電池所采用的無機化合物,電解質則可以使用固態或膠態高分子電解質,或是有機電解液,一般鋰離子技術使用液體或膠體電解液,正極發生的反應為:


負極采用鋰—碳層間化合物LixC6等,其反應為:


總反應表達式為:

 

圖1聚合物鋰電池反應過程


3 主要性能參數


聚合物鋰電池作為一種電化學電源,天然的具有電壓、內阻、容量、比能量、比功率等特性參數。出于兩個方面的目的,對電池的參數進行測量和評價。一個是為了實現主動控制的目的,比如,電池單體電壓不一致,使得系統能量存儲能力降低,如果能夠主動調節兩極的單體電壓,則可以起到放大系統容量的效果。另一個是為了安全考慮,電池的參數有其固定的范圍,檢測電池參數,實施監控其邊界,可以起到表征電池安全狀態的作用。聚合物鋰電池的主要性能參數是電池設計,生產過程中的一個重要環節,對電池的性能評估起著重要作用。


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,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,鋰電上標的電容量是4.2V放電至2.75V所獲得的電量。每節鋰電池的電壓通常為3.7v到4.2v,也就是說每一節鋰電池的空電電壓為3.7v,滿電電壓為4.2v。


3.2電池容量


電池容量的定義: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,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


單位體積或單位質量電池釋放的能量。如果是單位體積,即體積能量密度(Wh/L),很多地方直接簡稱為能量密度;如果是單位質量,就是質量能量密度(Wh/kg),也可稱作比能量。如一節鋰電池重300g,額定電壓為3.7V,容量為10Ah,則其比能量為123 Wh/kg。比能量越大,電池續航能力越強。


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。比能量和比功率究竟有什么區別在于比能量高的動力電池耐力好,可以長時間工作,保證無人機續航里程長;比功率高的動力電池,響應速度快,可以提供很高的瞬間電流,提高無人機的加速性能。


3.6放電倍率


放電倍率(C)是指在規定時間內放出其額定容量(Q)時所需要的電流值,它在數值上等于電池額定容量的倍數。放電倍率決定了電池的放電電流(A),例如,對于容量為24Ah,放電倍率5C的電池,它的放電電流就是120A。如果其放電倍率為2C,0.5小時放電完畢;用12A充電,如果其充電倍率為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。

         

圖2 12s鋰聚合物鋰電池


3.7荷電狀態


SOC,全稱是State  of  Charge,荷電狀態,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的容量的比值。其取值范圍為0~1,當SOC=0時表示電池放電完全,當SOC=1時表示電池完全充滿。電池管理系統(BMS)就是主要通過管理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估算主要有開路電壓法、安時計量法、人工神經網絡法、卡爾曼濾波法等。


3.8內阻


內阻(R)是指電池在工作時,電流流過電池內部受到的阻力。包括歐姆內阻和極化內阻,其中:歐姆內阻包括電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的電阻;極化內阻包括電化學極化電阻和濃差極化電阻。


內阻的單位一般是毫歐姆(mΩ),內阻大的電池,在充放電的時候,內部功耗大,發熱嚴重,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用。所以,內阻做的越小,電池的壽命和倍率性能就會越好。通常電池內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象,又稱電池的荷電保持能力。


一般而言,電池自放電主要受制造工藝、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,指經過再次充電過程容量可以恢復;容量損失不可逆,表示容量不能恢復。目前對電池自放電原因研究理論比較多,總結起來分為物理原因(存儲環境,制造工藝,材料等)以及化學原因(電極在電解液中的不穩定性,內部發生化學反應,活性物質被消耗等),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壽命和日歷壽命兩個參數。循環壽命指的是電池可以循環充放電的次數。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%時所經歷的循環次數。日歷壽命是指電池在使用環境條件下,經過特定的使用工況,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合的,通常需要規定具體的使用工況,環境條件,存儲間隔等。循環壽命是一個理論上的參數,而日歷壽命更具有實際意義。但日歷壽命的測算復雜,耗時長,所以一般電池廠家只給出循環壽命的數據。


4 無人機鋰電池的發展


4.1通用化


通用化的聚合物鋰電池具有上述聚合物鋰電池滿足主要性能等,能夠適用于不同重量級的無人機。無人機常用的電池為T型聚合物鋰電池,一端動力線轉接公母頭(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備檢測。


圖3 電壓檢測器及鋰聚合物鋰電池


通用化聚合物鋰電池是無人機低成本的動力解決方案,但是會帶來諸多問題,例如,第一,無法實時監測電池的電量,會有摔機的風險。第二,沒有完善的充電管理,以及放電管理,充放電完成后需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,鋰電池對環境污染大。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


智能化聚合物鋰電主要是直擊上述通用聚合物鋰電池使用痛點,進行了優化設計,結合無人機飛控系統和優化電池管理系統,對電池實現智能化管理和控制。在電池結構上,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計,同時增加電源控制開關,體現操作的便捷性,再次,電池頭部的卡扣設計,便于快速拆卸。最后,兼顧電池外觀造型,實現智能電池產品化。

 

圖4 智能鋰電池


在硬件上,給電池配上BMS電池管理系統(Battery Management System,縮寫BMS)。BMS是連接無人機動力電池和電動無人機的重要紐帶。BMS用于監測并指示電池,電容狀況(電壓、溫度、電流、剩余能量),在異常情況下向用戶發出報警信號(聲光),嚴重時根據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。終端模塊負責測量電池電壓及溫度、均衡電池能量,電流采樣和SOC 計算,產生各類報警數據,控制充放電電路;顯示模塊負責顯示電池的數據,給出聲光報警,記錄數據等。當系統電池總數較少時,中央處理模塊可以和終端模塊合并組成集成 BMS系統以節省成本。


在上述硬件和結構基礎上,通過軟件算法,實現對智能鋰電池的狀態進行實時監測。智能化鋰電池的缺點是,市場版本眾多,電池的不兼容。智能化鋰電池標準化是一個急需解決的問題。

 

圖5 智能鋰電池軟件界面


4.3固態化


鋰電池固體化發展主要是解決通用型鋰電池本身的安全隱患,綠色環保,低能量密度等問題,現有的液態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。而固態鋰離子電池的能量密度則會高很多,全固態鋰離子電池的能量密度最高潛力達900Wh/kg,并且結構更加安全,所以它一度被認為是理想的無人機動力電池。


工作原理上,固態鋰電池和傳統的鋰電池并無區別。電池的兩端為電池的正負兩極,中間為液態電解質。鋰離子通過電解質在兩端來回運動,完成電池的充放電過程。主要區別是固態鋰電池只不過其電解質為固態。固體鋰電池具有的密度以及結構可以讓更多帶電離子聚集在一端,傳導更大的電流,進而提升電池容量。


圖6 鋰離子電池和固態鋰電池示意圖


固態鋰電池有很多優勢,發展前景廣闊。其中,兩個最明顯的優勢就是能量密度更高,運行更安全。使用了全固態電解質后,鋰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。現在許多實驗室中,都已經可以小規模批量試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池。固態電池在大電流下工作不會因出現鋰枝晶而刺破隔膜導致短路,不會在高溫下發生副反應,不會因產生氣體而發生燃燒。


圖7 固態鋰電池發展規劃


2020 年前采用高鎳正極+準固態電解質+硅碳負極實現 300 Wh/Kg,2025 年前采用富鋰正極+全固態電解質+硅碳/鋰金屬負極電池實現 400 Wh/Kg,2030 年前燃料/鋰硫/空氣電池實現 500 Wh/Kg。


5 結語


在節能減排,新能源利用等相關政策的大背景下,鋰電池技術作為電動動力機械的動力源,具有綠色環保,能量密度大,安全系數高等特點,是電動無人機動力系統的最佳選擇,也是無人機發展的必然趨勢。但是,鋰電池技術與無人機接口技術研究以及標準化制定之路。還有很多技術壁壘,仍需不斷創新與改革。


稿件來源: 走近無人機
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