1引言

近年來，在民用和特種無人機(jī)市場(chǎng)，無人機(jī)需求與日俱增，無人機(jī)產(chǎn)品迭代周期明顯縮短，與無人機(jī)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(dòng)力系統(tǒng)等也得到了高速發(fā)展，其中，聚合物鋰電池作為電動(dòng)無人機(jī)目前主要的動(dòng)力來源，影響著無人機(jī)的航程與航時(shí)，是直接制約無人機(jī)發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)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(yōu)點(diǎn)。同樣體積的鋰聚合物鋰電池的容量能夠達(dá)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(tài)鋰相同，主要區(qū)別是電解液與液態(tài)鋰不同。電池主要的構(gòu)造包括有正極、負(fù)極與電解質(zhì)三項(xiàng)要素。聚合物鋰離子電池在這三種主要構(gòu)造中至少有一項(xiàng)或一項(xiàng)以上使用高分子材料做為主要的電池系統(tǒng)。而在所開發(fā)的聚合物鋰離子電池系統(tǒng)中，高分子材料主要是被應(yīng)用于正極及電解質(zhì)。

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(jī)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(jī)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(fù)極采用鋰—碳層間化合物L(fēng)ixC6等，其反應(yīng)為：

總反應(yīng)表達(dá)式為:

圖1聚合物鋰電池反應(yīng)過程

3主要性能參數(shù)

聚合物鋰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(gè)方面的目的，對(duì)電池的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)。一個(gè)是為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(chǔ)能力降低，如果能夠主動(dòng)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(gè)是為了安全考慮，電池的參數(shù)有其固定的范圍，檢測(cè)電池參數(shù)，實(shí)施監(jiān)控其邊界，可以起到表征電池安全狀態(tài)的作用。聚合物鋰電池的主要性能參數(shù)是電池設(shè)計(jì)，生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)電池的性能評(píng)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(fù)載或電源，測(cè)量電池正負(fù)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(duì)應(yīng)，即電池外接上負(fù)載或電源，有電流流過電池，測(cè)量所得的正負(fù)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(shí)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)鋰電池的電壓通常為3.7v到4.2v，也就是說每一節(jié)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(shí)間（h），單位一般為Ah或mAh。例如電池標(biāo)注22000mAh，在工作時(shí)電流為1A時(shí)，理論上可以使用2.2h。

3.3電池能量

電池儲(chǔ)存的能量，單位為Wh（瓦時(shí)），能量（Wh）＝電壓（V）×電池容量（Ah）。

例如，標(biāo)識(shí)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(gè)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。如果是單位體積，即體積能量密度（Wh/L），很多地方直接簡(jiǎn)稱為能量密度；如果是單位質(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(qiáng)。

3.5功率密度

將能量除以時(shí)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(píng)價(jià)電池是否滿足電動(dòng)無人機(jī)加速性能的重要指標(biāo)。比能量和比功率究竟有什么區(qū)別在于比能量高的動(dòng)力電池耐力好，可以長(zhǎng)時(shí)間工作，保證無人機(jī)續(xù)航里程長(zhǎng)；比功率高的動(dòng)力電池，響應(yīng)速度快，可以提供很高的瞬間電流，提高無人機(jī)的加速性能。

3.6放電倍率

放電倍率（C）是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放出其額定容量（Q）時(shí)所需要的電流值，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，對(duì)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(shí)放電完畢；用12A充電，如果其充電倍率為0.5C，2小時(shí)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(chǔ)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212s鋰聚合物鋰電池

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(shí)表示電池放電完全，當(dāng)SOC=1時(shí)表示電池完全充滿。電池管理系統(tǒng)（BMS）就是主要通過管理SOC并進(jìn)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(shí)計(jì)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(shí)，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(mΩ)，內(nèi)阻大的電池，在充放電的時(shí)候，內(nèi)部功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，會(huì)造成電池的加速老化和壽命衰減，同時(shí)也會(huì)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(huì)越好。通常電池內(nèi)阻的測(cè)量方法有交流和直流測(cè)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，電池自放電主要受制造工藝、材料、儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(gè)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(jìn)行充放電，計(jì)算電池容量衰減到80%時(shí)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(dá)到壽命終止條件(容量衰減到80%)的時(shí)間跨度。日歷壽命與具體的使用要求緊密結(jié)合的，通常需要規(guī)定具體的使用工況，環(huán)境條件，存儲(chǔ)間隔等。循環(huán)壽命是一個(gè)理論上的參數(shù)，而日歷壽命更具有實(shí)際意義。但日歷壽命的測(cè)算復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，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(jī)鋰電池的發(fā)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(jí)的無人機(jī)。無人機(jī)常用的電池為T型聚合物鋰電池，一端動(dòng)力線轉(zhuǎn)接公母頭（一般用XT60）對(duì)接進(jìn)行能量輸出。另一端信號(hào)線通常采用電壓檢測(cè)器等設(shè)備檢測(cè)。

圖3電壓檢測(cè)器及鋰聚合物鋰電池

通用化聚合物鋰電池是無人機(jī)低成本的動(dòng)力解決方案，但是會(huì)帶來諸多問題，例如，第一，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電量，會(huì)有摔機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。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(cè)器對(duì)電池進(jìn)行檢測(cè)。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，鋰電池對(duì)環(huán)境污染大。第五，電池本身能量密度低，不能滿足無人機(jī)長(zhǎng)航時(shí)的迫切需求。第六，拆裝不方便，無人機(jī)更換電池頻率高，影響用戶體驗(yàn)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(diǎn)，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合無人機(jī)飛控系統(tǒng)和優(yōu)化電池管理系統(tǒng)，對(duì)電池實(shí)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(hù)等級(jí)。其次，快速充電口一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)增加電源控制開關(guān)，體現(xiàn)操作的便捷性，再次，電池頭部的卡扣設(shè)計(jì)，便于快速拆卸。最后，兼顧電池外觀造型，實(shí)現(xiàn)智能電池產(chǎn)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(tǒng)（BatteryManagementSystem，縮寫B(tài)MS）。BMS是連接無人機(jī)動(dòng)力電池和電動(dòng)無人機(jī)的重要紐帶。BMS用于監(jiān)測(cè)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(bào)警信號(hào)（聲光），嚴(yán)重時(shí)根據(jù)制定的控制策略切斷電力傳送鏈路，以保護(hù)電池從而延長(zhǎng)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(fù)責(zé)測(cè)量電池電壓及溫度、均衡電池能量，電流采樣和SOC計(jì)算，產(chǎn)生各類報(bào)警數(shù)據(jù)，控制充放電電路；顯示模塊負(fù)責(zé)顯示電池的數(shù)據(jù)，給出聲光報(bào)警，記錄數(shù)據(jù)等。當(dāng)系統(tǒng)電池總數(shù)較少時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)智能鋰電池的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。智能化鋰電池的缺點(diǎn)是，市場(chǎng)版本眾多，電池的不兼容。智能化鋰電池標(biāo)準(zhǔn)化是一個(gè)急需解決的問題。

圖5智能鋰電池軟件界面

4.3固態(tài)化

鋰電池固體化發(fā)展主要是解決通用型鋰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(shí)長(zhǎng)，安全性較低的劣勢(shì)。而固態(tài)鋰離子電池的能量密度則會(huì)高很多，全固態(tài)鋰離子電池的能量密度最高潛力達(dá)900Wh/kg，并且結(jié)構(gòu)更加安全，所以它一度被認(rèn)為是理想的無人機(jī)動(dòng)力電池。

工作原理上，固態(tài)鋰電池和傳統(tǒng)的鋰電池并無區(qū)別。電池的兩端為電池的正負(fù)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(yùn)動(dòng)，完成電池的充放電過程。主要區(qū)別是固態(tài)鋰電池只不過其電解質(zhì)為固態(tài)。固體鋰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(jìn)而提升電池容量。

圖6鋰離子電池和固態(tài)鋰電池示意圖

固態(tài)鋰電池有很多優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。其中，兩個(gè)最明顯的優(yōu)勢(shì)就是能量密度更高，運(yùn)行更安全。使用了全固態(tài)電解質(zhì)后，鋰電池可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來做負(fù)極，這樣可以大大減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高?，F(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)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(huì)因出現(xiàn)鋰枝晶而刺破隔膜導(dǎo)致短路，不會(huì)在高溫下發(fā)生副反應(yīng)，不會(huì)因產(chǎn)生氣體而發(fā)生燃燒。

圖7固態(tài)鋰電池發(fā)展規(guī)劃

2020年前采用高鎳正極+準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負(fù)極實(shí)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(fù)極電池實(shí)現(xiàn)400Wh/Kg，2030年前燃料/鋰硫/空氣電池實(shí)現(xiàn)500Wh/Kg。

5結(jié)語(yǔ)

在節(jié)能減排，新能源利用等相關(guān)政策的大背景下，鋰電池技術(shù)作為電動(dòng)動(dòng)力機(jī)械的動(dòng)力源，具有綠色環(huán)保，能量密度大，安全系數(shù)高等特點(diǎn)，是電動(dòng)無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的最佳選擇，也是無人機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。但是，鋰電池技術(shù)與無人機(jī)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。