看图识‘电’
看图识‘电’
图解锂聚合物电池那些事
发表于《航空模型》2012.1～2013.2
目前航空模型中普遍使用的动力电池是锂聚合物电池，它的特点是：安全性能好，不会爆炸；比能量大；内阻小；放电倍率大；放电特性比较平直；形状可定制。但是，对于大多数航模爱好者来说，如何理解这些特性，正确使用这种电池还是存在一些问题的，甚至还有‘以误传误’的情况。本文试图通过一些图形来比较直观地了解锂聚合物电池的这些特性，从而可以更加正确、合理地使用这些电池。
下面是锂聚合物电池与其他化学电池的性能比较表，需要说明的是表内数据是数年前统计的，有些性能现在已经有明显的提高，例如目前锂聚合物电池的内阻已经可以做得很小，远远低于表内参数。
图1是锂聚合物电池的核心部分——电芯。锂聚合物电池（一般标记为：Li-po）。
锂电池的主要参数包括：容量、放电倍率、标称电压、尺寸和重量。除了重量以外，
其余参数一般都会在电芯上标注，只是有的生产企业以规格代号来体现它的放电倍
率，不能直观看出放电倍率的数值。电池的尺寸是用规格中的6位数表示，前两位
表示厚度的10倍值，中间两位是宽度，最后两位是长度，单位都是毫米。例如标
记为663052的电池尺寸是6.6X30X52毫米。
图1 电芯
锂电池的基本参数
1.容量是指电池能够储存和释放的电量，以毫安小时mAh或安时Ah标记，例如600mAh。需要说明的是：产品标准里对于电池容量的测量都是按小电流放电时
的容量来计算的，而电动模型工作时的电流远远大于试验电流，往往是试验电流的
几十倍，而电池在大电流放电状态下的有效容量要小于标称值。
2.可持续最大放电倍率是表示电池能够以几倍于1小时放电率的电流进行连续放电的能力，标记为多少C。电池1小时放电率的值就是电池容量那
个数值。例如：标记为600mAh 20C这个电池的1小时放电率就是600mA，它可以
在20X600=12000mA=12A的电流下连续放电。可持续最大放电倍率实质上反映的是
电池的‘爆发力’，而不是真的要始终以这样的电流在工作，如果电池自始至终以
20C的倍率在放电，它的放电时间理论上只有60/20=3分钟，实际飞行时间要比理
论值更短，这样的飞行时间显然是太短了，电池在实际工作中采用多大的放电倍率
主要是从飞行时间的长短来考虑，如果希望飞行时间是6分钟，那么实际放电倍率
应该小于10C,若希望飞行12分钟，那只能用5C的倍率工作。这些模型很可能为了
保证飞行中的爆发力要采用25C甚至40C的电池，而实际飞行中只用到10C或者
5C的放电倍率在工作。也就是说，‘实际放电倍率’应该比电池的‘可持续最大放
电倍率’小很多。
3.标称电压是表示或识别一种电池的适当的电压近似值，也称为额定电压，可用来鉴别电池类型。锂聚合物电池的标称电压是3.7V；换句话说，标注3.7V
的锂电池就是锂聚合物电池。
对于航模爱好者来讲，锂聚合物电池的电芯数量（决定了电池组的总电压）、
尺寸和重量是在设计和制造航空模型时要根据模型的要求和条件来考虑的。
锂电池的性能是由电芯制造企业决定的，大多数品牌电池是从电芯生产企业买
来的电芯进行组装，或者直接订购组装好的电池组，只是在外面贴上品牌标签而成
为品牌电池。
4.比能量指的是单位重量或单位体积所储存的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，L是升
(体积单位)。在当前的技术条件下正规企业生产的模型用锂电池属于同一代产品，
它们的比能量不会有很大的差别。所以，同样容量、同样放电倍率的电池应该有差
不多的体积和重量，如果电池明显太轻或者太小就有可能是虚标参数，实际上达不
到所标注的容量和放电倍率。
图2 测量空载电压
5.空载电压就是电池不带负载，没有工作电流状态下电池输出端的电压。它能粗略地反映电池储存电能的多少。图2 测量的就是电池的空载电压。图5和图7放电曲线中的A点电压就是空载电压。
6.负载电压——电池在输出一定的负载电流时，它的输出端电压，同一个电池在不同的负载电流下将有不同的负载电压。电池以同样的负载电流放电时，随着电能的减少，负载电压会逐渐降低。当设备停止工作，没有负载电流这个瞬间，电压会突然升高一点，在然后的几分钟时间里空载电压仍然会慢慢升高，几十分钟以后空载电压基本上就不再上升了。图5和图7中的B-C-D-E曲线之间的电压就是
负载电压。
图3 测量负载电流和负载电压
图3 是用自制的测试仪来测量负载电压和电流，数字显示负载电流是9A，这
个时候电池的负载电压是12.1V。
图4 放电曲线
为了精确了解电池的性能，需要做放电试验。就是按一定的时间规律，把放电过程中的电压和电流数据记录下来，然后用这些数据绘出相应的曲线。图4是标注为一种650mAh;10C;3.7V电池的放电曲线，上面那条标记为I的是电流曲线，下面一条标有U字的是电压曲线。由于条件限制，这个放电过程没有按照相关标准要求采用恒流放电，而是外接一个固定电阻进行放电，放电电流是随着电压的变化而变化的，这个试验的放电倍率大概是6C-7C。从电压曲线上可以看出以下几个特征：1.放电开始一小段时间内电压的变化比较快；2.放电过程的中间有较长一段时间电压变化比较稳定，放电曲线比较平坦；3.放电过程的最后阶段电压降低得很快。
放电曲线中的电流曲线和时间横轴之间的阴影部分（见图5），就是放电电流对
时间的积分，也就是电池释放出来的电量，或者叫做电池的有效容量。
图5 电池容量和中值电压
图5是在放电曲线的基础上得到的电池容量和中值电压。
7.中值电压——电池放电到一半容量时的负载电压。同一个电池用不同
的负载电流放电时会有不同的中值电压。
图6
图6显示的是同一个电池在不同放电电流下的放电曲线。一个实际放电倍率是7C另一个是2C。可以看出7C放电状态下的中值电压是3.56V，而2C放电状态下的中值电压要高一点，是3.72V。中值电压的实际意义是可以把它作为该模型计
算时的参考电压，也可以用这个中值电压来测试模型动力系统的基本性能。例如，
一个模型是以2C放电倍率在工作，那么可以用3.7V的稳压电源来供电，进行测试。假如放电倍率是7C的模型，只能用低一点的电压来进行测试。如果仍然用3.7V试验，这样测试的结果不能真实反映模型飞行时的状态，实际飞行的情况要比测试结果差。中值电压与电池的最大可持续放电倍率有关系，最大可持续放电倍率高的电池，在相同条件下测量得到的中值电压会高一点。
图7
图7 是概念化的放电曲线。
A点是没有连接负载电阻时的电压——空载电压；
B点以后是放电状态下的电压——负载电压；
B—C是开始放电阶段，电压变化比较快，曲线的斜率比较大；
C—D是放电过程的中间有较长一段时间电压变化比较稳定，曲线斜率不大；
D—E是放电过程的最后阶段，电压降低很快，这个阶段实际上是不能使用的，尤其是直升机飞行时，在这个阶段电池不能保证直升机能够稳定悬停，很可能发生
飞行事故。
锂电池的缺点
锂聚合物电池因其性能优异、价格合理而被航模爱好者广泛使用，当然它也有不足之处。它的缺点就是比较娇嫩，不能‘过充’也不能‘过放’。所谓‘过充’，就是充电太多，充过了头，电池的电压超过产品规定的‘限制电压’值。至于‘过放’，就是使用时放电量超过允许值，电池的电压低于产品规定的‘终止电压’值。如果发生过充或过放就很可能会影响它的性能、降低使用寿命，严重的情况下甚至可以直接导致电池损坏。
防止‘过充’的问题比较容易解决，因为锂电池都必须用专用的充电器进行充电。只要是正规的充电器产品都是按照锂电池的充电要求进行设计和生产，一个合格的充电器的充电过程是符合锂电池的充电要求的。只要充电器工作正常，充电过程就不会出现过充现象。不同的充电器产品会有不同的‘限制电压’，也就是充电结束的时候锂电池的电压值会有一些不同。对于锂聚合物电池而言它的限制电压一般规定是4.25V。
至于防止过放的问题就比较复杂，因为各种模型在飞行过程中电池的工作电流是千差万别的。需要操纵员根据情况自行掌握。这样就容易发生过放电的问题。从前面的放电曲线图形我们知道，在锂电池放电过程的后阶段电压变化很快，如果不及时停止飞行，模型将很快失去动力，对于航空模型而言这是十分危险的，对于锂电池也是会造成伤害。模型直升机如果动力不足，就不能保持悬停状态，可能发生直接坠落的事故。固定翼飞机失去动力以后虽然不会直接坠落，但是如果这个时候模型飞得比较远，就可能飞不回来。
防止锂电池过放电的方法
如何防止飞行中的过放电问题有以下几个办法。一是在电子调速器里设臵低电压保护，当飞行中电压低于这个设定值以后，电子调速器将降低电机的驱动电流，甚至完全停止向电机供电；二是控制飞行时间，按照地面测试结果结合实际飞行数
据进行统计和分析，可以知道这个电池在多少时间之内是可以保证提供足够电能的，在飞行前设臵一个定时器，到规定时间以后定时器报警，提醒操纵员马上降落；三是测定飞行器上电池的电压，用数据回传的办法让操纵员知道，当电压低于某一个值的时候马上降落；四是在飞行器上安装一个低电压报警器，当电压降低到设定值时采用声、光报警让操纵员知道；五是在有的航模产品里规定锂电池自身必须安装独立的保护电路。上述几种办法都有一定的局限性，各自也有各自的适用范围。下面具体分析这几种办法的使用方法。
1.电子调速器的低电压保护——这个方法不适合用于直升机模型。因为，电子调速器在没有预警的情况下突然停止供电或者降低工作电流，会造成直升机突然失去或降低动力，这样就会导致直升机坠毁。固定翼上的电子调速器在电压低于设定值以后不应该完全停止供电，而是降低供电电流，这样可以保持一定动力，能够将模型飞回来。
2.用掌握飞行时间来避免电池过放电——这个方法在使用之前要做好测试和评估，要明确知道这个电池究竟可以飞多少时间，然后确定定时器的设定时间。直升机在进行一般飞行时的电流基本上都在悬停电流（悬停状态下的工作电流）上下，相对于固定翼而言，直升机工作电流的变化范围要小一点。也就是说对于同一组电池在电动直升机上的飞行时间的波动会小一点。所以，这种方法比较适合于模型直升机。采用这个方法时怎样开启定时器是关键。最好是利用遥控器上的油门操纵杆来自动开、关定时器。例如，设定油门操纵杆的操纵量大于50%时让定时器计时，油门小于50%以后停止计时，这样可以比较真实反映电池的供电的时间，也就能比较准确地掌握电量消耗情况，合理地使用电池。这个方法不太适合固定翼模型，因为固定翼飞行时马力变化很大，受到上升气流的影响也很大，所以，固定翼的飞行时间变化比较大，不容易用时间来掌握电池的消耗情况。
3.采用测定飞行器上电池的电压，用数据回传的办法——这要求遥控设备具备这个功能。电压数据传回来以后最好不是简单地显示这个电压值，而是应该采用
语音报告电压值，或者在地面设备上设臵模型上电池的低电压报警。因为飞行中操纵员的注意力全部在空中，不可能花时间来看屏幕上的电压值。
4.飞行器上安装一个低电压报警器——这里的关键是声、光报警信号能否被地面上的操纵员知道。在飞行器上安装大功率喇叭的可能性很小，所以，声音报警很难在固定翼上使用。利用闪光报警也是有距离限制的，所以只能用于飞得不是很高也不是很远的中、小型模型上。
5.锂电池内部安装独立的保护电路——这个方法虽然可以保护电池不出现过充和过放的问题，但是受到电子元件性能的限制，目前只是在少数航模产品上使用。
低电压保护值的设定
图 8
图8是同一个电池在新旧不同阶段的放电曲线变化。对于同一个电池，在使用寿命的不同阶段，Ｄ点的相对位臵是有变化的。电池比较新的时候，Ｄ1点出现得
比较晚，D1—E段的斜率特别大，新的电池和质量好的电池在飞行中会出现‘说没电就没电’这样的电压突然降得很低的现象，飞行的危险性就很大，所以低电压保护值的设定要相对高一点，例如设定在３.5V左右，这是指单片电芯的电压，如果是2S电池，就是设定在7.0V（以此类推）。当电池比较旧了以后，电池的内阻会慢慢增加，Ｄ2点的出现时间会前移，D2—E段的斜率没有开始那样大，为了提高电池容量的利用率，可以适当降低一点低电压保护的设定值,例如是3.35V，甚至还可以更低一点。也就是说越好的电池它的保护电压要设臵得高一点，反过来，越是差的电池就要设臵得低一点。需要再次强调的是：这里所说的电压都是负载电压。等到模型降落以后在电动机不工作的情况下测量的电压是经过短暂休息以后的空载电压，这个电压比飞行时的负载电压要高。这里或许有人会提出异议，电池工作到这么低的电压，电池会不会损坏？这里我列举某一个系列的锂电池保护专用集成电路的数据表，以此来说明电池可以工作在这么低的电压。所谓锂电池保护专用集成电路，就是专门为锂电池设计的，用来保护锂电池不受损害的专用集成电路。也就是锂电池安装了这种保护电路就可以保证不出现过充和过放问题，保证电池的品质，无论是寿命还是容量，都不会受到损害。可以从数据中看出，锂电池保护电路对于过放电检测电压是从2.8V到2.3V，也就是说锂电池放电到2.3V并不会对锂电池造成伤害。所以，把低电压保护设定值控制在3V以上是没有问题的。作为航空模型的动力电池，低电压保护值的设臵主要考虑的是：这样低的电压能不能保证模型的飞行，过分低的电压实际上已经没有意义了。一般来说直升机悬停时对电池电压的要求远高于固定翼飞机保持平飞时的电压，所以低电压保护对于直升机来讲是不合适的。
为了保证飞行安全，电池容量不能消耗过多，要留有足够的余量，以防止电能消耗殆尽，模型突然丧失动力而发生坠机事故。也就是宁可少飞一点时间，也要确保飞行安全。
主要参考资料:
QB/T 2502—2000 锂离子蓄电池总规范
GB 8897.4—2008 锂电池的安全要求
SJ/T 11169—1998 锂电池标准