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【新手容易踩的坑】电池电压和电量百分比的那些事

电池作为一种动力来源,是每个玩电动航模和无人机不得不提的东西。 经常见到有人在论坛、贴吧里问: 我的飞机怎么一起飞没多久就没电了啊? 电池明明还有很多电的,怎么飞两分钟突然就变成0%了? 电量还有一大半呢,我上去飞一圈应该没事吧? ……

电池作为一种动力来源,是每个玩电动航模和无人机不得不提的东西。

经常见到有人在论坛、贴吧里问:

我的飞机怎么一起飞没多久就没电了啊?

电池明明还有很多电的,怎么飞两分钟突然就变成0%了?

电量还有一大半呢,我上去飞一圈应该没事吧?

……

电池电量百分比,看似简单,实际上里面暗藏玄机,很多新司机刚上路,很容易踩坑翻车。即便是老司机,也有可能麻痹大意而阴沟翻船。

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50%电到底能不能飞?能飞多久?这个问题至今仍充满争议。有人说半块电就别飞了,有些人说半块电又不是没电飞一小会儿没事的。那么半块电飞起来到底有没有安全隐患呢?

我们先来了解一下钴酸锂动力电池和汽油这两种能源的特性区别吧

汽油,大家都知道,这是一种再熟悉不过的能源。每辆燃油车都有油表,告诉你车子还剩多少燃料。

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汽油的能量均匀分布在每一个分子中,只要油泵油压足够,无论是半箱油还是满箱油,只要够你跑到目的地和下一个加油站,你都可以放心地开车出门。汽油的最大输出功率不会因为油位的下降而减少,只要没有完全消耗到油泵抽不起来油,发动机就可以正常输出额定的动力,哪怕油表灯刚亮起来,你一脚油门下去依然能给你带来十足的推背感。
而锂电池的能量输出特性和汽油完全不同,在满电的初始阶段动力充沛,电压会快速下滑一小段,随着放电的进行,电压的下降变得平缓而稳定,到了放电的后期,电压则突然断崖式下跌,输出功率迅速降低。
典型的锂电池放电曲线如下图所示

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航模和无人机的电池都属于高倍率(C数)锂电池,在放电的后期更容易出现动力变软、功率减小的状况。若电池仅有一半电,在放电的过程中电压很容易快速下滑,造成无人机在短时间内触发低电压迫降到你不想让它降落的地方,甚至失去动力坠机。并且锂电池的放电能力极易受温度影响,温度低于10℃,电池内化学反应速率减缓,放电能力会显著降低,效能大幅缩水,严重低温时根本放不出电。

因此50%电量,特别是长时间存放后半满不满的锂电池直接上机起飞,会有很大的安全隐患。所以我们一直在强调满电起飞的必要性。


那么我们整天挂嘴上的电量百分比又是怎么来的呢?

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实际上在航模界和无人机的早期阶段,并不存在“电量百分比”这个概念。电池通常是如下图的样子

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航模锂电池仅有电芯、动力线和平衡头,没有任何控制和保护电路,自然不会告诉你电量百分比这东西。飞手通常有四种方法来判断电量

1、在平衡头上加装一种俗称“BB叫”的电压计,当电压降低到报警阈值时即发出响亮的蜂鸣音,提示飞手尽快降落,这通常用在视距内飞行。

2、在飞机上加装OSD和图传,直接在屏幕上显示电压,飞手根据电压判断电量,多见于自组航拍机和FPV机型。

3、利用遥控器内置的计时器,每一分钟发出蜂鸣和振动提醒飞手用去的时间,飞手根据经验判断电池剩余量。

4、利用电池放电后期动力变软的特性,当操纵手感变软时降落,经验丰富的直升机3D老司机有时会用这个来判断是否必须降落。

根据路端电压来判断电量的办法,一直比较可靠。不过随着科技的发展,无人机的门槛越来越低,很多没什么航模基础的人也加入的飞行的行列。对他们而言,航模电池繁琐的充电、维护方式就是噩梦,并且直接看电压不能直观地让人感受到电池电量的消耗,难以通过直接读电压值对电池剩余电力进行判断,一脸懵逼。于是,带有库仑计、保护板、控制板、平衡电路和通讯电路的智能飞行电池应运而生。

而智能电池中的库仑计,就是负责测量电流、电压、电荷量并计算电量百分比和剩余时间的设备。

库仑计在手机电池中已经广泛应用,手机能显示剩余电量和百分比,都是它的功劳。

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电池的容量,学名电荷量,也就是平时我们见到的mAh为单位的数值,也是通过库仑计来测量。通常的测量方法是将电池充至满电电压(普通锂电4.2V,高压锂电4.35V),然后开始慢速放电至厂家设定的电压下限值。不同类型的电池,电压下限有所不同,手机的电压设定下限通常是3.7V,大疆的智能电池,电压下限则是3.3V左右。此时库仑计可算出整个放电过程所通过的电荷量数值,这个数值就是这块电池的容量。而电池当前剩余可正常放出的电荷量与最大电荷量之比以百分数表示,就是我们平时见到的电量百分比。按照大疆官方的说法,4.2-4.35V对应100%电量,3.7V对应30%电量。

当电池放电到0mAh时,并不代表它一点电都没了,它还能继续放电,但是输出的电压会低于设备正常工作所需的下限而对设备造成性能上的影响,严重时将对设备本身造成损坏,甚至损坏电池本身。

早期的库仑计无法在电池充放电过程中实时计算和调整电池容量值,在多次循环后由于电池化学年龄增长造成容量衰减,无法准确计算电量,容易出现库仑计显示有电但电池提前GG的情况,因此需要定期深度充放电来校准之,悟1、精灵2和精灵3的用户手册都建议一定循环数后进行深度充放电来校准容量。现在的大疆智能电池中内置的库仑计可以实时计算并调整容量值,也就不需要用户自己搞深度充放电了。


那既然有库仑计帮我算电量,我就直接看百分比,看它显示那个剩余时间飞就行咯?

你以为这世界上有这么简单的事情?Too young too simple!

航模和无人机用的动力电池,都是由多片电芯串并联组成,少的2片3片,多的6片12片。这些电芯在一起共同对外输出能量。要做出一块优质的动力电池,需要先把其每一片电芯进行多次放电曲线和内阻测量,选出内阻低、寿命长、放电曲线优异的电芯,并在其中选出放电曲线、放电C数和内阻高度一致的编成一组。这样才能保证电池在使用中,每一片电芯能自始至终同呼吸共命运,步调一致地输出动力。

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但消费级无人机的动力电池通常不会像高端玩家定制的动力电池那样精挑细选,为了控制成本,电芯的一致性匹配通常不会做得那么细致,电芯的体质只要及格了就行。于是在飞行中,电池就有几率出现电芯放电曲线不一致的情况,特别是循环次数较多的电池,不一致情况会愈发明显。如下图所示:

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每个电芯之间的电压差会增大,加上电池内阻的存在,在高负荷状态,比如全速飞行、满油爬升、逆风前进时,电池路端电压会出现更大的降落,电芯一致性的差异使得其中个别电芯提前到达C数上限,此时每个电芯之间会出现更大的电压差,失去平衡性。而库仑计并没有接在每个电芯上,只是计算总和而已,于是库仑计的数值就和实际情况出现偏差。化学年龄高的电池,由于内阻较大,电芯一致性会更差,飞行时电压降落更加明显,更有甚者充满电4.3V,一起飞就掉到3.7V,再做暴力飞行,电池随时失压导致飞机嗝屁,而此时电量百分比仍显示在90%以上,容易对飞手造成误导。因此高龄电池,电量百分比的可信度很低。

极端情况下,甚至会出现100%电量起飞,飞行一两分钟后电量从80%-90%瞬间掉到0%,然后触发严重低电量迫降甚至直接空中断电的情况。我见过无数飞手遭遇这种情况导致炸机、提控回家。那么这种情况是怎么发生的呢?

上面提到,动力电池需要时刻留意电芯一致性问题,当电芯一致性降低到比较危险的程度,就会出现个别电芯提前耗竭,电芯电压迅速掉落,导致整个动力电池无法继续正常输出,若库仑计未能及时判断并响应,读数就会从高位突然归零。


咱就从贴吧中找个案例吧

由图中所示,该Mavic Air电池1号电芯放电曲线已和2、3号电芯高度不一致,在飞行过程中提前耗竭,触发低电压警告,电量百分比从高位瞬间掉到0%,飞行器开始强制降落。若该电芯电压继续降低,到达3.0V时,将触发电池欠压保护,关断输出,飞行器将直接从空中自由落体。到目前为止,只有悟2的电池允许空中过放电到2.6V截止电压,给飞手争取足够时间迫降,而其余机型仍旧一律3.0V切断电源让飞行器直接坠毁。

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而电芯放电曲线不一致通常只表现在放电的中期和后期,前期由于存在放电曲线平台阶段,差异并不明显,将该电池充至较高电量后,电芯电压分布又恢复正常,一般用户很难察觉。但下一次再飞行,电池失压故障会再一次出现。

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因此起飞前勤检查是硬道理,对电池隐患早发现、早排除。

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看,这电池不就GG了嘛,你还敢带着它上天?别看显示99%电量,实际上它已经完蛋了,要不是有双电池冗余,直接炸给你看。

通常情况下,电芯之间的静态(不启动电机)压差超过0.06V且无法恢复平衡,动态(飞行中)压差超过0.2V,电池即报废。

综上,电池电量百分比不能完全作为剩余电量依据,正确的方式是以电压为基准,百分比作为辅助来对电池电量进行综合判断,并预留足够的电量返航,切莫贪飞!


说点题外话

为什么航模用锂电池没有保护板?

航模作为一种体育运动,需要经常做出一些高难度特技动作,这些动作通常比较暴力,电流开销和变化都非常大。一架700级电直升机飞3D动作,电流可在30A-160A之间变化,瞬时输出电流高达200A,如此巨大的电流变化,对于有保护板的动力电池来说会直接触发过流保护造成电池停电,飞机失控坠毁。航模锂电尺寸相当的保护板无法承载如此高的电流,即使能做出200A的保护板,其体积之大、重量之沉、价格之高,已无法用在航模上。因此,航模锂电没有保护板,其充电的平衡、电流控制、电压保护均在充电器上。



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