鋰離子電池在電動(dòng)無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用研究

摘要：電池是新能源電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵部件。鋰離子電池能量密度高、壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性和安全性好，是電動(dòng)技術(shù)發(fā)展方向，已經(jīng)在電動(dòng)汽車等電動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，在電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)發(fā)展中也有非常好的應(yīng)用前景。本文介紹了鋰離子電池的原理以及電芯能量密度和系統(tǒng)能量密度的概念，研究了鋰離子電池應(yīng)用情況，分析鋰離子電池與電動(dòng)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)原理，提出動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為電動(dòng)飛機(jī)核心動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)無(wú)人機(jī)；鋰離子電池；電池電芯；電池質(zhì)量能量密度；電池體積能量密度；系統(tǒng)能量密度；能量消耗率

中圖分類號(hào)：V272文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.05.001

對(duì)于電動(dòng)和混動(dòng)飛機(jī)來(lái)說(shuō)，電池技術(shù)非常關(guān)鍵，電池的能量密度大小決定電動(dòng)和混動(dòng)飛機(jī)的未來(lái)發(fā)展。電池實(shí)際上就是發(fā)電器，按照能量來(lái)源品種分為利用化學(xué)能的化學(xué)電池和利于太陽(yáng)輻射能的太陽(yáng)能電池?；瘜W(xué)電池利于電池的自身所具有化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)（活性物質(zhì)）通過(guò)化學(xué)反應(yīng)放電。電池按照使用特點(diǎn)來(lái)分：使用后廢棄的電池為一次電池；可重復(fù)充放電的電池為二次電池；電池本身不具備活性物質(zhì)而由外部提供的電池稱燃料電池。在電動(dòng)飛機(jī)中經(jīng)常使用的是二次電池、燃料電池和太陽(yáng)能電池。其中化學(xué)電池和燃料電池的發(fā)電原理是相同的。在電動(dòng)無(wú)人機(jī)中，鋰離子電池是電動(dòng)無(wú)人機(jī)飛行動(dòng)力，決定著電動(dòng)無(wú)人機(jī)能否飛行和飛行時(shí)間的長(zhǎng)短。對(duì)鋰離子電池的特性、能量密度和鋰離子電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，對(duì)電動(dòng)無(wú)人機(jī)以及整個(gè)電動(dòng)航空發(fā)展都非常重要，決定電動(dòng)無(wú)人機(jī)未來(lái)能否快速發(fā)展。因此，本文通過(guò)對(duì)鋰離子電池技術(shù)原理、電池特性、能量密度和電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析研究，并以實(shí)例對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)在電動(dòng)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算，為未來(lái)鋰離子電池在電動(dòng)航空的大量應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1鋰離子電池技術(shù)原理

電動(dòng)飛機(jī)經(jīng)常使用的鋰離子電池是化學(xué)電池的一種，圖1以電動(dòng)汽車的鋰離子電池為例分析化學(xué)電池的基本原理[1]和鋰離子電池的電力產(chǎn)生基本構(gòu)成方程式。

從鋰離子電池原理可以看出，鋰離子電池發(fā)電產(chǎn)生大量化學(xué)能，其能量密度在逐年不斷提高。最近，有報(bào)道稱其能量密度最大的已經(jīng)接近500W·h/kg，但大部分市面上的鋰離子電池的能量密度在350W·h/kg左右。鋰離子電池已經(jīng)在電動(dòng)汽車和電動(dòng)飛機(jī)中得到大量使用。

2鋰離子電池的能量密度

鋰離子電池能量密度[2]是電動(dòng)汽車和電動(dòng)航空的關(guān)鍵指標(biāo)，它決定汽車充一次電能跑多少距離和飛機(jī)能飛多長(zhǎng)時(shí)間。那是什么限制鋰離子電池能量密度的提高？根據(jù)木桶原理，限制鋰離子電池能量密度的核心是正極材料。最近，國(guó)內(nèi)外有許多公司在不斷攻關(guān)，采用各種新型材料和結(jié)構(gòu)來(lái)提高鋰離子電池功率密度。如日本松下公司通過(guò)增大電芯尺子和結(jié)構(gòu)工藝、寧德時(shí)代公司通過(guò)改變鋰離子電池正負(fù)極材料和結(jié)構(gòu)工藝、比亞迪公司通過(guò)改進(jìn)電芯架構(gòu)設(shè)計(jì)提出刀片電池新構(gòu)架等都提升鋰離子電池功率密度，這些公司鋰離子電池功能密度提高，已經(jīng)為其贏得了美國(guó)特斯拉電動(dòng)汽車、北汽電動(dòng)汽車和比亞迪電動(dòng)汽車的多數(shù)市場(chǎng)訂單。

電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程是電動(dòng)汽車重要指標(biāo)，它主要取決于動(dòng)力電池能量和整車能量消耗：

續(xù)駛里程=可用動(dòng)力電池能量/能量消耗（1）

在相同能量消耗不變、電池系統(tǒng)體積和重量（質(zhì)量）不變的情況下，從式（1）可以看出，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程主要取決于電池能量密度。對(duì)于電動(dòng)飛機(jī)來(lái)說(shuō)，其基本原理一樣。主要是飛機(jī)續(xù)航持續(xù)時(shí)間：

續(xù)航時(shí)間=可用動(dòng)力電池能量/單位時(shí)間能量消耗（2）

如果我們把汽車和飛機(jī)的續(xù)駛與續(xù)航統(tǒng)一起來(lái)，如式

（3）所示：

續(xù)航能力=可用動(dòng)力電池能量/能耗（3）

在相同能耗不變、電池體積和重量不變情況下，汽車或飛機(jī)續(xù)駛或續(xù)航能力主要取決于電池能量密度。為了對(duì)電池能量密度做進(jìn)一步分析，本文主要介紹電池能量密度、單體能量密度和系統(tǒng)能量密度。

2.1電池能量密度

電池能量密度是指在單位一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放的電能。電池能量密度一般分質(zhì)量能量密度和體積能量密度兩個(gè)維度。電池質(zhì)量能量密度=電池容量×放電平臺(tái)/質(zhì)量，單位為W·h/kg；電池體積能量密度=電池容量×放電平臺(tái)/體積，單位為W·h/L。

電池的能量密度越大，單位重量或體積儲(chǔ)存的能量（電量）越多。通常我們說(shuō)的電池能量密度多指電池質(zhì)量能量密度。

2.2單體能量密度（電芯能量密度）

電池能量密度常常指向兩個(gè)不同概念，一個(gè)是單體電芯的能量密度，一個(gè)是電池系統(tǒng)的能量密度。

電芯是一個(gè)電池系統(tǒng)的最小單元。一般汽車或飛機(jī)上動(dòng)力電池由M個(gè)電芯組成一個(gè)模組，N個(gè)模組組成一個(gè)電池包，即動(dòng)力電池系統(tǒng)，也就是汽車飛機(jī)動(dòng)力電池基本結(jié)構(gòu)。

電芯能量密度在國(guó)家《中國(guó)制造2025》動(dòng)力電池發(fā)展規(guī)劃中明確目標(biāo)是：2020年，電池能量密度達(dá)到300W·h/kg； 2025年，電池能量密度達(dá)到400W·h/kg；2030年，電池能量密度達(dá)到500W·h/kg。

這里指的就是電芯級(jí)別的能量密度，根據(jù)國(guó)際國(guó)內(nèi)的有關(guān)報(bào)道，有許多目標(biāo)已經(jīng)提前實(shí)現(xiàn)。

2.3系統(tǒng)能量密度

系統(tǒng)能量密度是指單體組合成一個(gè)電池系統(tǒng)包后的整個(gè)電池系統(tǒng)能量比整個(gè)電池系統(tǒng)質(zhì)量或體積。因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)內(nèi)部包含電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、高低壓回路等占據(jù)了電池系統(tǒng)部分重量和內(nèi)部空間，因此電池系統(tǒng)的能量密度都比電芯能量密度低。系統(tǒng)能量密度=電池系統(tǒng)能量（電量）/電池系統(tǒng)質(zhì)量或電池系統(tǒng)體積。

可以從以下兩點(diǎn)，提高電池系統(tǒng)能量密度。

（1）提高電芯的能量密度

從上面鋰離子電池原理中可以看出，電池電芯主要由4個(gè)關(guān)鍵部分組成：正極、負(fù)極、電解液和隔膜。正極和負(fù)極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)地方，因此，對(duì)電池能量密度非常關(guān)鍵。

電池電芯廠家攻關(guān)主要集中在下面兩個(gè)方向：增大電池電芯尺寸和化學(xué)體系變革。增大電池電芯尺寸（如松下新的電池型號(hào)21700；電池容量增加35%以上）?；瘜W(xué)體系的變革主要是對(duì)電芯的正極材料和負(fù)極材料進(jìn)行改變，以提高電芯的能量密度。

（2）提高系統(tǒng)的能量密度

電池系統(tǒng)的組成是工程師們對(duì)單體電芯和模塊優(yōu)化布局能力的考驗(yàn)，需要在安全可靠的前提下，最大限度地利用好每一塊尺寸和重量。電池系統(tǒng)的工作主要有優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、排布結(jié)構(gòu)、散熱設(shè)計(jì)、材料選擇和整體一體化設(shè)計(jì)等。

3典型的鋰離子電芯特性和應(yīng)用

目前國(guó)際國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車上最普遍使用的是三元鋰鋰離子電池和磷酸鐵鋰鋰離子電池，三元鋰鋰離子電池能量密度要比磷酸鐵鋰鋰離子電池高，從電池安全性維度出發(fā)，磷酸鐵鋰鋰離子電池要好一些。對(duì)于三元鋰鋰離子電池，日本松下公司的產(chǎn)品能量密度高、一致性好、安全可靠，在電動(dòng)汽車上大量應(yīng)用，如美國(guó)特斯拉公司、北汽新能源公司等。磷酸鐵鋰鋰離子電池能量密度最近也有大幅度提升，如比亞迪公司新發(fā)布的刀片電池就是一種安全和能量密度提升的新型電池，也可用于比亞迪電動(dòng)汽車上。下面就以特斯拉公司在電動(dòng)汽車上大量使用松下公司18650鋰離子電池進(jìn)行分析介紹。

18650鋰離子電池（常見(jiàn)類型：鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池；電壓平臺(tái)：3.6V和3.2V。電池充滿電壓：4.2V；常見(jiàn)容量：2000mA·h、2600mA·h、3000mA·h、3500mA·h、4000mA·h）是日本SONY公司為節(jié)約成本而生產(chǎn)的一種標(biāo)準(zhǔn)型的鋰電池型號(hào)，其中18表示電池直徑18mm，65表示電池長(zhǎng)度為65mm，0表示電池是圓柱形。

鋰離子電池具有重量輕、容量大、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛地作為動(dòng)力電池應(yīng)用到電動(dòng)汽車和電動(dòng)航空等領(lǐng)域。

松下公司為美國(guó)特斯拉公司研制的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池也是18650型號(hào)的電池，其電壓平臺(tái)為3.6V，容量達(dá)到3500mA·h左右，重量在47g左右。初步計(jì)算其電芯參數(shù)：質(zhì)量能量密度為262W·h/kg，體積能量密度為761.8W·h/L。

3.1特斯拉電動(dòng)汽車上的應(yīng)用方案分析

特斯拉電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)如下：額定容量：85kW·h；額定電壓：400V直流電壓。簡(jiǎn)單地說(shuō)，美國(guó)特斯拉汽車充一次電池可以裝85kW·h電量，可以供普通家庭使用一個(gè)月左右。從特斯拉車總?cè)萘靠梢酝扑愠鰡喂?jié)電芯的容量，即85000/7104=12W·h，所以，單節(jié)電芯容量大約為12W·h。

特斯拉汽車動(dòng)力電池由7104節(jié)松下18650電池組成，分成16個(gè)組，每一組電池為444節(jié)，每一組的74節(jié)電池并聯(lián)，再6組串聯(lián)，共444節(jié)串聯(lián)。每組電壓考慮電池充滿電的電壓計(jì)算，電壓達(dá)到直流25.2V，然后16組電池再串聯(lián)，使動(dòng)力電池系統(tǒng)的直流電壓達(dá)到403.2V，電池容量達(dá)到85kW·h（每節(jié)電芯容量3.6V×3.3A=12W·h）。最終形成完整特斯拉動(dòng)力電池系統(tǒng)，為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。特斯拉電池組單元的電池包，電池組及動(dòng)力電池系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖2～圖4所示。

特斯拉動(dòng)力電池組成有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：（1）采用16組電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每組電池電壓25.2V，汽車高壓的地方少，有利于提高汽車安全性；（2）每組內(nèi)74節(jié)電池并聯(lián)，然后再6排串聯(lián)，使電池達(dá)到444節(jié)，而且每一節(jié)電池上都通過(guò)保險(xiǎn)絲連接到回路，如果某一節(jié)電池出現(xiàn)短路或過(guò)熱，保險(xiǎn)絲能夠及時(shí)熔斷，使這節(jié)電池?cái)嚅_(kāi)，確保了整個(gè)電池系統(tǒng)的安全性；（3）由于是74節(jié)電芯并聯(lián)，某一節(jié)損壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)容量影響很小，確保了整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)容錯(cuò)性和可靠性。從而提升特斯拉整個(gè)汽車質(zhì)量。

特斯拉汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)在保護(hù)膜和電池組間直接增加了防火板，并用大量的黏合劑密封，保證電池系統(tǒng)防火特性。同時(shí)設(shè)置了電池系統(tǒng)總保險(xiǎn)（額定工作電流630A，額定電壓為690V，額定分段電流700A～200kA，電阻值0.1324Ω），確保動(dòng)力電池系統(tǒng)故障后的安全。實(shí)際上特斯拉動(dòng)力電池系統(tǒng)最高電壓為403.2V，最大工作電流為259A左右。因而保險(xiǎn)絲有合理的余度和安全值，確保電池系統(tǒng)誤動(dòng)作消除。在電池系統(tǒng)輸出端和一個(gè)控制接觸器相連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)汽車動(dòng)力電池輸出控制。連接導(dǎo)線是能承受600V電壓，溫度范圍在-70℃～150℃的電動(dòng)車專用電纜。以保證汽車在全工況下可靠工作。

特斯拉每組電池用金屬隔板分開(kāi)，同時(shí)又與冷卻液體管路相接觸，起到散熱和撞擊的保護(hù)作用。每節(jié)18650電池電芯都有導(dǎo)熱管路，并且管路采用絕緣帶包裹，防止電池與外殼發(fā)生短路。電池兩側(cè)布滿冷卻液管路，每組電池內(nèi)部都需要一定量的冷卻液。通過(guò)鋁管路在電池組內(nèi)流動(dòng)。保證電池溫度的均勻性。雖然沒(méi)有主動(dòng)的循環(huán)系統(tǒng)，但冷卻液還是可以適當(dāng)流動(dòng)的。冷卻液主要材料成分為50%水和50%的乙二醇混合而成，混合乙二醇可以防止低溫結(jié)冰。冷卻液配合鋁管路使用主要是為了保持溫度的均衡，防止電池局部溫度過(guò)高，導(dǎo)致電池性能下降。溫度能夠控制在±2oC的范圍內(nèi)?？刂坪脺囟瓤梢源蟠笱娱L(zhǎng)電池使用壽命。

特斯拉每組電池都有其獨(dú)立電池管理系統(tǒng)（BMS），在電池組側(cè)面固定，整個(gè)電池系統(tǒng)同樣在輸出端由整個(gè)系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)主要作用是電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)計(jì)算、能量管理、熱管理、安全管理、均衡控制和通信功能等。該系統(tǒng)有電池充放電的精確處理算法，能自行處理電池充放電以及電池發(fā)熱等問(wèn)題。

特斯拉動(dòng)力電池系統(tǒng)總重量900kg左右，其中電芯重量為7104×0.047=334kg。其實(shí)特斯拉動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度為：85000/900=95W·h。

特斯拉動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度并不高，它主要是在電池系統(tǒng)管理、安全、可靠、熱均勻、防止外界撞擊和防火等部分采取非常嚴(yán)格措施。而增加動(dòng)力電池系統(tǒng)重量，使動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度減少。

總之，特斯拉汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊合理，電池管理系統(tǒng)可靠細(xì)致，考慮電池系統(tǒng)使用壽命、安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性全面充分，是一個(gè)非常優(yōu)秀的動(dòng)力電池系統(tǒng)。

3.2北汽某型號(hào)電動(dòng)汽車上應(yīng)用方案考慮[4]

北汽某型號(hào)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)如下：額定電池能量41.4kW；額定電壓標(biāo)稱電壓330V；動(dòng)力電池容量：42A·h；冷卻液4.2L；整車裝備質(zhì)量1583kg；最大設(shè)計(jì)質(zhì)量2023kg；最大載荷440kg；能量消耗率（kW·h/100km）：19；續(xù)駛里程260km。

假設(shè)北汽電動(dòng)汽車采用和特斯拉相同能量密度電芯，大約需要電芯數(shù)量（總?cè)萘砍詥蝹€(gè)電芯容量可以得出需要電池?cái)?shù)量）為42000/12=3500?？紤]電池串并聯(lián)問(wèn)題，選取北汽動(dòng)力電池3520節(jié)18650號(hào)電池。為了滿足汽車電壓，并保證汽車容量，動(dòng)力電池系統(tǒng)可以考慮如下設(shè)計(jì)方案：北汽汽車動(dòng)力電池由3520節(jié)松下18650電池組成，分成8組，每一組電池共444節(jié)，每一組的44節(jié)電池并聯(lián)，再10組串聯(lián)，每組電壓考慮電池充滿電電壓計(jì)算，電壓達(dá)到直流42V，然后共8組電池再串聯(lián)，使動(dòng)力電池系統(tǒng)的直流電壓達(dá)到336V，電池容量達(dá)到42.2kW·h（每節(jié)電芯容量3.6V×3.3A等于12W·h）。最終形成完整動(dòng)力電池系統(tǒng)，為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。北汽電動(dòng)汽車的電池組單元的電池包、電池組及動(dòng)力電池系統(tǒng)組成電氣結(jié)構(gòu)圖如圖5～圖7所示。

和特斯拉電動(dòng)汽車一樣，北汽電動(dòng)汽車也對(duì)電池采用液體散熱，以保證電池溫度均勻性，從而確保電池的長(zhǎng)壽命工作。

由于采用18650鋰離子電池，它對(duì)電池的一致性要求非常嚴(yán)格，松下公司的18650電池一致性就非常好，而且其穩(wěn)定性和能量密度也非常好，因此，特斯拉等公司在電動(dòng)汽車上大量采用這種電池。

3.3 18650鋰離子電芯組成的動(dòng)力電池系統(tǒng)的充放電功能

鋰離子電池能夠提供穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命、安全可靠的工作，是電動(dòng)汽車和飛機(jī)成功的關(guān)鍵因素，所以鋰離子電池的充放電技術(shù)就顯得格外重要。一般認(rèn)為將鋰離子電池的空載電壓放電到3.0V左右時(shí)，就認(rèn)為電池電用完了（具體值有差異，需要看電池保護(hù)板的門限值設(shè)計(jì)，有的低到2.8V，有的是3.2V）。大部分鋰離子電池不能將空載電壓放電到3.0V以下，否則過(guò)度放電會(huì)損壞電池。4.2V是電池充電的最高限制電壓，一般認(rèn)為將鋰離子電池的空載電壓充電到4.2V就認(rèn)為電充滿了，電池充電過(guò)程中，電池電壓逐漸升高到4.2V，鋰離子電池不能將空載電壓充電到4.2V以上，否則也會(huì)損壞電池，這是鋰離子電池所特有的地方。

3.3.1充放電原理

鋰離子電池的工作原理就是其充放電原理。當(dāng)對(duì)電池充電時(shí)候，電池正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量就越大。因此，電池的正極和負(fù)極是鋰離子電池容量大小的關(guān)鍵。

同樣的道理，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電的時(shí)候（實(shí)際使用電池過(guò)程），嵌入負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，通過(guò)電解液又運(yùn)動(dòng)到正極?；氐秸龢O鋰離子越多，放電容量越大。也就是電池容量大，或者能量密度高。

從上面原理可以看出，鋰離子電池的充放電過(guò)程中，就是鋰離子從正極—負(fù)極—正極的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，鋰離子在電池內(nèi)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這就形成了電動(dòng)汽車和飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

3.3.2充放電過(guò)程

根據(jù)鋰離子電池的原理和特性，鋰離子電池充放電對(duì)鋰離子電池非常關(guān)鍵，鋰離子電池充放電控制分為兩個(gè)階段。第一階段是恒流充電階段，電池電壓低于4.2V時(shí)候，充電器會(huì)以恒定電流充電方式為電池充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到4.2V時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入第二階段。第二階段是恒壓充電階段，當(dāng)鋰離子電池電壓達(dá)到4.2V時(shí)，由于鋰離子電池特性，如果電壓再高，就會(huì)損壞電池，因此，此時(shí)充電器會(huì)將電壓固定在4.2V，恒定電壓對(duì)電池充電，充電電流逐漸減少，當(dāng)電流減少到一定值時(shí)候（一般設(shè)置1/10設(shè)置電流時(shí)），斷開(kāi)充電電路，充電完成。表示電池已經(jīng)充滿電量。

鋰離子電池的過(guò)度充放電會(huì)對(duì)其正負(fù)極造成永久的損壞。過(guò)度放電會(huì)造成負(fù)極碳層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會(huì)造成充電過(guò)程鋰離子無(wú)法嵌入；過(guò)度充電會(huì)使過(guò)多的鋰離子嵌入碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。這兩種情況都會(huì)造成鋰離子電池?fù)p壞，因此，充放電管理和充電器選擇就非常重要。

3.3.3電池充放電管理和充電器選擇[3]

對(duì)于電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，鋰離子電池充放電管理和方案選取是其核心關(guān)鍵技術(shù)，如果充放電管理在控制精度上不夠嚴(yán)格，容易造成電池系統(tǒng)充放電異常，甚至損壞電池系統(tǒng)。而如果充放電管理精度高，充電器功能齊全，就可以使電池使用壽命大大延長(zhǎng)，從而使汽車和飛機(jī)壽命大大延長(zhǎng)。

選擇電池的充電器的時(shí)候，充電器應(yīng)該擁有5種保護(hù)功能：過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和電池接反保護(hù)等。

（1）過(guò)充電保護(hù)當(dāng)充電器對(duì)鋰離子電池過(guò)充電時(shí)候，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)電壓上升，需要終止充電狀態(tài)。為此，充電器需要有電池?cái)?shù)據(jù)采集的功能，監(jiān)控電池電壓，當(dāng)其達(dá)到電池的過(guò)充電壓時(shí)，激活過(guò)沖保護(hù)功能，終止充電過(guò)程。汽車或飛機(jī)上的蓄電池系統(tǒng)應(yīng)該具有電池管理功能，其中應(yīng)該具有過(guò)放電保護(hù)等能力。

（2）過(guò)放電保護(hù)為了防止鋰離子電池進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)，當(dāng)鋰離子電池低于其過(guò)放電電壓檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，激活過(guò)放電保護(hù)，終止電池系統(tǒng)放電，并將電池系統(tǒng)保持在低靜態(tài)電流待機(jī)模式。

（3）過(guò)流及短路保護(hù)當(dāng)鋰離子電池系統(tǒng)檢測(cè)到放電電流過(guò)大或發(fā)生短路的時(shí)候，激活過(guò)流和短路保護(hù)，使電池終止放電。同時(shí)告警，找到過(guò)流和短路的原因，再重新工作。

電池管理系統(tǒng)和充電系統(tǒng)是鋰離子電池系統(tǒng)的重要組成部分，好的電池管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每一節(jié)電池的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)終止損壞的電池工作并斷開(kāi)電池，而不影響系統(tǒng)正常工作。這就需要鋰離子電池系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集（電芯充放電電壓和電流、電池組和系統(tǒng)的充放電電壓和電流等）、熱管理、安全管理、電芯及電池組之間均衡控制、狀態(tài)計(jì)算、系統(tǒng)能量管理和數(shù)據(jù)通信等功能。該系統(tǒng)還應(yīng)該包含電池充放電的精確處理算法，能自動(dòng)處理電池充放電以及電池發(fā)熱等問(wèn)題。因此，鋰離子電池的電池管理是未來(lái)電動(dòng)汽車和電動(dòng)飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，需要花大力氣來(lái)研究解決。

4鋰離子電池在電動(dòng)無(wú)人機(jī)上應(yīng)用研究

通過(guò)對(duì)鋰離子電池的不斷研究，目前，我們已經(jīng)把鋰離子電池推廣應(yīng)用到電動(dòng)飛機(jī)上。本文將一個(gè)350kg級(jí)左右的燃油無(wú)人機(jī)改為電動(dòng)無(wú)人機(jī)為例，研究電動(dòng)無(wú)人機(jī)上鋰離子電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

燃油無(wú)人機(jī)改成電動(dòng)無(wú)人機(jī)后，飛機(jī)的飛行噪聲大大降低，故障率大幅下降，改善了無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)。使無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)有隨時(shí)啟停、無(wú)聲滑翔、安靜巡航的能力，大大提高無(wú)人機(jī)的任務(wù)性能。

4.1無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)的起飛重量350kg；發(fā)動(dòng)機(jī)重量22kg；燃油重量60kg；任務(wù)設(shè)備重量30kg；總重量112kg。飛機(jī)改成電動(dòng)飛機(jī)后分配給電池的重量控制在90kg，考慮到整個(gè)飛機(jī)的配重問(wèn)題，電池的重量應(yīng)該限制在80kg以內(nèi)。

4.2空間布局考慮

原飛機(jī)的燃油儲(chǔ)存在三個(gè)油箱中，因此，80kg的電池系統(tǒng)也應(yīng)該考慮存放固定在原來(lái)三個(gè)油箱中。并考慮電纜和充電接口等部件。航空煤油的密度0.78g/cm3；鋰離子電池的密度2.78g/cm3。

從上面的數(shù)據(jù)比較可以看出，鋰離子電池的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于航空煤油，因此在飛機(jī)動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中只考慮鋰離子電池的質(zhì)量能量密度，飛機(jī)空間里存放電池系統(tǒng)空間足夠，不需要考慮體積能量密度。

由于有三個(gè)油箱，考慮分三組電池組構(gòu)成飛機(jī)的動(dòng)力電池系統(tǒng)，每一組電池重量控制在25kg左右，重量共75kg。這樣留出5kg來(lái)安排電池充放電管理接口、電池絕熱和保溫等部件。

4.3系統(tǒng)參數(shù)

巡航功率18kW；直流電壓270V；巡航高度1000m；采用火箭助推。

4.4動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.4.1考慮采用松下18650鋰離子電池方案設(shè)計(jì)

考慮采用鋰離子電池18650作為電動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力電池系統(tǒng)電芯，由于系統(tǒng)電壓為270V直流，考慮18650電芯電壓為4.2V，計(jì)算出需要65節(jié)18650電池相串聯(lián)才能達(dá)到需要電壓?？紤]鋰離子電池18650電芯的重量為46g左右，而電池總重量75kg，計(jì)算得出大約需要1630節(jié)電池。

考慮分三組電池，相互串聯(lián)應(yīng)用，選取1584節(jié)18650鋰離子電池組成無(wú)人動(dòng)力電池系統(tǒng)。三組電池采用串聯(lián)方式布局，每組電池?cái)?shù)量為528節(jié)，采用24節(jié)電池并聯(lián)組成一個(gè)電池組單元包，然后再將22單元包串聯(lián)，形成一個(gè)由528節(jié)18650鋰離子、電壓為92.4V組成的電池組。然后三組電池串聯(lián)形成直流電壓為277.2V的動(dòng)力電池系統(tǒng)，來(lái)滿足飛機(jī)系統(tǒng)的需求。電動(dòng)無(wú)人機(jī)的電池組單元的電池包、電池組及動(dòng)力電池系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)組成圖如圖8～圖10所示。

從電動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力電池系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)可以得出，動(dòng)力電池系統(tǒng)的總?cè)萘坑?jì)算如下：?jiǎn)喂?jié)電芯能量密度×系統(tǒng)的總電芯數(shù)量=系統(tǒng)總的能量密度，即3.6×3.3×1584=18818，所以，電動(dòng)飛機(jī)動(dòng)力電池系統(tǒng)容量為18.818kW·h。

考慮巡航功率大約為18kW，初步估計(jì)電動(dòng)無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間T：飛行時(shí)間=動(dòng)力電池系統(tǒng)總?cè)萘?巡航消耗功率，即T=18.818/ 18=1.045，所以，初步計(jì)算無(wú)人機(jī)大約可以飛行1.045h。

總電芯重量是1584×0.047=74.4，動(dòng)力電池系統(tǒng)重量控制在80kg以內(nèi)。同時(shí)應(yīng)該包含電池管理、充放電系統(tǒng)、溫度控制和均衡管理等相關(guān)部件重量。

4.4.2采用松下21700鋰離子電池的方案

考慮采用鋰離子電池21700作為電動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力電池系統(tǒng)的電芯，以提高動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度，進(jìn)而提升無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間。由于系統(tǒng)電壓為270V直流，考慮21700電芯電壓為4.2V，計(jì)算出需要65節(jié)21700電池相串聯(lián)才能達(dá)到需要電壓。考慮鋰離子電池21700電芯的重量為66g左右，而電池總重量75kg，計(jì)算得出大約需要1136節(jié)電池。

考慮分三組電池，相互串聯(lián)應(yīng)用，最終選取1122節(jié)21700鋰離子電池組成無(wú)人動(dòng)力電池系統(tǒng)。三組電池采用串聯(lián)方式布局，每組電池?cái)?shù)量為374節(jié)，采用17節(jié)電池并聯(lián)組成一個(gè)電池組單元包，然后再將22單元包串聯(lián)，形成一個(gè)由 374節(jié)21700鋰離子、電壓為92.4V組成的電池組。然后三組電池串聯(lián)形成直流電壓為277.2V的動(dòng)力電池系統(tǒng)，來(lái)滿足飛機(jī)系統(tǒng)的需求。電動(dòng)無(wú)人機(jī)的電池組單元的電池包、電池組及動(dòng)力電池系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)組成圖如圖11～圖13所示。

從電動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力電池系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)可以得出，動(dòng)力電池系統(tǒng)的總?cè)萘坑?jì)算如下：?jiǎn)喂?jié)電芯能量密度×系統(tǒng)的總電芯數(shù)量=系統(tǒng)總的能量密度，即3.6×5×1122=20196。電動(dòng)飛機(jī)動(dòng)力電池系統(tǒng)容量為20.196kW·h，也就是總能量為20kW·h電量。

考慮巡航功率大約為18kW，初步估計(jì)電動(dòng)無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間T如下：飛行時(shí)間=動(dòng)力電池系統(tǒng)總?cè)萘?巡航消耗功率，即T=20.196/18=1.122h，所以，初步計(jì)算無(wú)人機(jī)大約可以飛行1.122h?？傠娦局亓渴?122×0.066=74.052g，動(dòng)力電池系統(tǒng)重量控制在80kg以內(nèi)。同時(shí)應(yīng)該包含電池管理、充放電系統(tǒng)、溫度控制和均衡管理等相關(guān)部件重量。

從上面兩個(gè)方案可以看出，采用21700鋰離子電池要比18650鋰離子電池儲(chǔ)存的能量要大一些，無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間要長(zhǎng)一些，但差別不大，要綜合考慮價(jià)格等因素，決定采取哪一種電池才是最佳的方案之一，但目前21700電芯是最新推出新型鋰離子電池，其能量密度要比18650電芯高20%左右，其成本也要比18650電芯低，因此21700電芯鋰離子電池是一個(gè)最優(yōu)考慮。當(dāng)然18650電芯更為成熟一些。

5結(jié)論

鋰離子動(dòng)力電池是電動(dòng)航空技術(shù)的發(fā)展核心和關(guān)鍵，它決定著電動(dòng)航空能否在更大范圍推廣應(yīng)用。鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度的提升，取決于電池電芯能量密度提高、電芯組成電池系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、充放電設(shè)計(jì)、電池?zé)嵩O(shè)計(jì)及安全性設(shè)計(jì)等。同時(shí)，鋰離子電池的電池管理系統(tǒng)也非常關(guān)鍵，是保證電池長(zhǎng)期可靠工作基礎(chǔ)。鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)能量?jī)?chǔ)存的多少，關(guān)系到電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程和電動(dòng)飛機(jī)的飛行里程，是二者能否取得成功的關(guān)鍵，它也決定電動(dòng)飛機(jī)的未來(lái)。人類社會(huì)能否生活在少污染或無(wú)污染的時(shí)代，就取決于高能量密度電池技術(shù)的進(jìn)步，取決于電動(dòng)航空技術(shù)的未來(lái)發(fā)展。

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（責(zé)任編輯王為）

作者簡(jiǎn)介

李開(kāi)?。?961-）男，碩士，研究員。主要研究方向：航空機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，多電、全電及電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)、能量?jī)?yōu)化系統(tǒng)技術(shù)等。

Tel：010-58354928E-mail：yhdylks@163.com

Research on the Application of Lithium-Ion Batteries in Electric Unmanned Aircraft

Li Kaisheng*

AVIC Aerospace System Co.，Ltd.，Beijing 100028，China

Abstract： Battery is a key component in development of new energy electric aircraft technology. Lithium-ion battery has high energy density， long life， good economy and safety. As the direction of electric technology development， it has been widely in electric vehicles and other electric transportation fields. It also has a good prospect in the development of electric aircraft technology. This paper introduces the principle of lithium-ion battery and the concept of energy density and system energy density of electric cell， studies the application of lithium-ion battery， analyzes the design of lithium-ion battery and electric drone， puts forward the design of power battery system， and provides reference for the design of the core power system of electric aircraft.

Key Words： electric unmanned aircraft； lithium-ion battery； battery cells； battery mass energy density； battery volume energy density； system energy density； energy consumption