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电池、电压、电流与功率

多旋翼的动力、电机响应、飞行时间和安全边界都与电池有关。理解电池不能只记“几串、多少毫安时”,还需要区分电压、电流、容量、能量、功率和内阻。

锂聚合物电池实物

外观示例:带主电源插头和平衡插头的四串锂聚合物电池。图片来源:BETAFPV LAVA 4S 850毫安时电池。用于识别部件,不构成型号推荐。

锂聚合物电池接口标注

电芯和串联节数

小型多旋翼常使用锂聚合物电池(LiPo,Lithium Polymer Battery)或者高压锂聚合物电池(LiHV,Lithium High Voltage Battery)。

电池标签中的S表示串联节数:

  • 1S表示一节电芯;
  • 4S表示四节电芯串联;
  • 6S表示六节电芯串联。

串联时,各电芯电压相加。容量数值不会因为串联节数增加而自动相加。

锂电池串联电压

常规锂聚合物电芯通常按3.7伏标称、4.2伏满充;高压锂电芯常按3.8伏标称、4.35伏满充。实际充电上限必须以电池标签和厂商说明为准,不能根据外观推断化学体系。

电压表示什么

电压是单位电荷具有的电势能差,单位是伏特,简称伏。

在多旋翼中,需要区分:

  • 电池总电压;
  • 单节平均电压;
  • 静置电压;
  • 带载电压;
  • 稳压电路输出电压;
  • 外设允许输入电压。

一块四串电池的总电压不能直接接到只允许5伏输入的接收机。飞控、电调和图传的允许电压也必须逐项核对。

容量和能量不是同一个量

电池容量常用毫安时表示。850毫安时等于0.85安时,它描述电池可以提供的电荷量。

电能常用瓦时表示,可以用下式进行近似比较:

电能(瓦时)≈ 标称电压(伏)× 容量(安时)

以图中的四串、850毫安时电池为例:

850毫安时 = 0.85安时
标称能量 ≈ 14.8伏 × 0.85安时 = 12.58瓦时

同样是850毫安时,四串电池的标称能量高于两串电池。只比较毫安时,无法比较不同电压电池的总能量。

电流表示什么

电流是单位时间内通过导体的电荷量,单位是安培,简称安。

多旋翼的电流会随以下因素快速变化:

  • 油门和机动动作;
  • 电机速度常数;
  • 螺旋桨直径、螺距和叶片数量;
  • 飞行器重量;
  • 电池电压;
  • 电机和电子调速器效率;
  • 螺旋桨碰撞、堵转或机械故障。

四合一电子调速器标注的单路持续电流,不等于整机在任何条件下都可以安全达到该数值。散热、环境温度、焊点、铜箔和供电连接器都会限制实际能力。

功率把电压和电流联系起来

电功率表示单位时间内传递的能量,单位是瓦特,简称瓦。

功率(瓦)= 电压(伏)× 电流(安)

在相同功率条件下,提高供电电压可以降低所需电流。但更高电压会提高绝缘、器件耐压和电机匹配要求,不能只看电流下降这一项。

放电倍率应如何理解

电池标签上的放电倍率通常用C表示。理论计算为:

理论持续电流(安)= 容量(安时)× 放电倍率

例如,0.85安时电池标注100C,按标签计算得到85安。

这个结果只是依据标称参数得到的理论值。不同厂商的测试条件、温升限制和标注方式可能不同,不能把它直接当作系统设计的绝对安全电流。

实际选型还需要观察:

  • 带载电压下降;
  • 电池温度;
  • 连接器和导线温度;
  • 单节一致性;
  • 循环后的容量和内阻变化;
  • 厂商提供的持续与峰值条件。

内阻和电压下降

电芯、导线、连接器和焊点都存在电阻。电流通过时会产生压降和热量。

简化关系为:

压降≈电流×内阻
发热功率≈电流²×内阻

因此,电池在大油门时显示的电压通常低于静置电压。电流增大一倍时,电阻损耗按平方关系增长,接触不良可能迅速发热。

电池老化、低温、损伤和单节不一致都会增加等效内阻,使飞行器更容易在大油门时出现明显压降。

主插头和平衡插头分别做什么

主电源插头承载整组电池的主要放电电流,用于给飞行器供电。

平衡插头引出各串联节点,使充电器能够分别测量每节电芯并进行平衡充电。

平衡插头不是大电流动力接口。线序错误、破损或短路同样可能造成严重后果。

电池如何给各部件供电

电池供电与测量路径

动力电池通常直接给电子调速器供电,电子调速器再控制电机相电流。飞控、接收机和部分摄像头需要由电池消除电路(BEC,Battery Eliminator Circuit)提供稳定的低压电源。

图中的电流传感器串联在主动力路径中,主电流需要经过传感器;电压分压采样是连接到电池总线的高阻并联支路,只抽取很小的测量电流。电压分压器与模数转换器(ADC,Analog-to-Digital Converter)的完整关系为:

VBAT+ → 上侧电阻 → ADC采样中点 → 下侧电阻 → GND

电流传感器的CUR输出和电压分压器的VBAT_SENSE输出都是送给飞控模数转换器的低功率信号,不能承载动力电流。外置传感器还可能需要单独供电,并必须与飞控共地。

电子调速器遥测存在不同实现:

  • 专用电子调速器遥测可以通过独立串行数据线连接飞控UART接收端;
  • 双向DShot可以在电机命令使用的同一根信号线上返回电气转速;
  • 扩展DShot遥测还可能返回温度、电压或电流等数据。

因此,电压采样、电流采样和电子调速器遥测不能按同一种接法处理,是否需要独立遥测线应以具体固件和硬件说明为准。

常见标记包括:

  • VBAT:接近动力电池总电压;
  • 5V:稳压5伏输出;
  • 9V:稳压9伏输出;
  • GND:电源参考地;
  • CUR:电流测量信号;
  • BATVBAT_SENSE:电压测量信号。

同名焊盘也可能具有不同允许电流。接线必须以具体飞控原理图和说明书为准。

飞控如何测量电压和电流

动力电池电压通常高于微控制器模数转换器的允许输入范围,因此飞控先通过电阻分压降低电压,再由模数转换器采样。

电流测量可能来自:

  • 分流电阻和放大电路;
  • 电流传感器芯片;
  • 电子调速器遥测;
  • 根据油门估算的虚拟电流。

飞控对电流随时间积分,可以估算已消耗的毫安时。测量比例不准确时,屏幕显示的电压、电流和消耗容量也会不准确。

校准时应使用可靠仪表或充电数据作为参考,不应仅凭“飞行时间看起来差不多”判断测量正确。

充电、存放和损伤检查

锂电池具有较高能量密度,错误充电、短路、穿刺和挤压可能引发起火。

基本要求包括:

  • 使用支持对应化学体系和串联节数的充电器;
  • 充电前核对电芯类型、节数和允许充电电流;
  • 使用平衡充电并检查单节电压;
  • 充电期间不要无人看管;
  • 远离可燃物并准备合适的隔离条件;
  • 不使用鼓包、破损、漏液、异常发热或单节严重失衡的电池;
  • 避免金属物体同时接触插头正负极;
  • 按厂商要求设置存放电压和存放环境;
  • 报废电池按照当地危险废物或电池回收要求处理。

不要通过挤压、穿刺或者人为短路给电池“放电报废”。

检查理解

  1. 四串电池的容量是否等于单节容量乘以四?
  2. 毫安时和瓦时分别表示什么?
  3. 大油门时电压为什么会下降?
  4. 平衡插头和主电源插头的作用有什么不同?
  5. 为什么不能把标签上的放电倍率直接当成绝对安全电流?

主要参考