供電，毫無疑問是無人機系統(tǒng)的核心，不管是飛行控制器、無線電收發(fā)模塊、電機、電調(diào)都需要供電來喂飽，目前消費級無人機動力電池依舊是鋰電池占據(jù)主導。鋰電池具有輕巧、容量密度比大、耐用、充電快等優(yōu)點。而相對其他類型的電池，鋰電池自身特性嬌貴，供電品質(zhì)受溫度、電流開銷、電芯平衡性、放電曲線的影響，而供電品質(zhì)的變化又反作用于無人機，電源策略不當更是有隨時發(fā)生空難的可能。
1、電芯
電池由電芯組成，電芯能量密度越高、重量越輕，組裝好的電池飛行續(xù)航時間越長。目前飛機動力鋰電池都是鈷酸鋰電池(LiCoO2)，而磷酸鐵鋰電池體積、重量都很大，而電壓比較低，一般當充電包或者地面站供電。
鈷酸鋰電池標準電壓3.7V，滿電電壓4.2V或4.35V，放電截止電壓2.6V，不過一般廠家都是設(shè)定3.0V觸發(fā)過放保護。鋰鐵電池標準電壓是3.2V，滿電電壓3.6V，放電截止電壓2V;
但在目前的電池技術(shù)下，能量密度與放電能力是一對矛盾體，放電能力強的高C電芯，在重量上同樣高于低C電芯。
C數(shù)越高的電池循環(huán)壽命越短，消費級無人機的動力電池100個充放循環(huán)已屬長壽，大多數(shù)情況下70循環(huán)就差不多不再符合飛行要求。
內(nèi)阻越低的電芯放電能力越強，放電升溫越低，反之亦然。而放電時的電芯溫度，又將作用于鋰電芯本身的化學特性，溫度鋰離子越低活性越低，電壓更容易跌落。(所有才有了動力電在冬季需要為電池保溫，預(yù)熱)
比如：25C和10C放電能力的電芯，同樣為5000ma容量，25C電芯就會重出不少。同樣40A電流放電，10C電芯也會釋放更多熱量。
于是，廠家需要根據(jù)飛行測試，在能量密度最大化、電池升溫輔助，和滿足絕大部分飛行場景的放電需求上選擇平衡點。
主流消費級多旋翼無人機為保證續(xù)航時間和機動開銷，選擇電芯的放電能力多在5~10C左右。
而很多航模無需多慮續(xù)航問題，3D直升機的一次飛行不過4分鐘左右，電芯需求則25C起步~ 甚至有些比賽用鋰電，放電能力達到65C。
選擇好了適合的電芯，就可以根據(jù)無人機設(shè)計電壓進行封裝，由多片鋰電芯通過并聯(lián)或串聯(lián)的組合完成輸出。每一片鋰電成為1S，12V供電就需要3片電芯串聯(lián)，也就是最常見的3S 1P鋰電。
而一些電池被設(shè)計為需要考慮單體電芯異常而增加冗余，于是每一S先用兩片電芯并聯(lián)再進行串聯(lián)，成為3S 2P鋰電，耗費6片電芯。
DJI從精靈2時代便開始使用3S 2P結(jié)構(gòu)，到6S 2P的Inspire1則需使用多達12片鋰電芯。
而便攜機則對體重要求嚴格，DJI Mavic Pro就只能用3S 1P結(jié)構(gòu)，失去供電冗余獲得更輕重量的電池。
選擇好了電池容量、C數(shù)、電壓、是否冗余，一塊電池的基本就已經(jīng)構(gòu)建。但還不能開始組裝，為啥呢?因為電池這一串聯(lián)又引出個新問題，電芯的平衡性和一致性。
平衡性和一致性的前提是，組裝好的電池在容量、內(nèi)阻上一致，不管是充滿后還是放電后，電池各個電芯應(yīng)該有一致或偏差極小的電壓(0.05V以內(nèi))。
如果電芯品質(zhì)存在問題，就會出現(xiàn)一個或多個電芯電壓不一致。當這種電壓差異達到一定程度，比如大于0.2V，就會影響飛行安全。
(小米無人機電池)
2P結(jié)構(gòu)的鋰電因為有并聯(lián)兩塊電芯背鍋，不至于出現(xiàn)災(zāi)難性電壓塌陷，可是1P結(jié)構(gòu)的電池怎么辦呢?12V供電的無人機，一個電芯瞬間掉到2V飛機多半藥丸。這就只能寄望于電池大廠的電芯生產(chǎn)品控，嚴格分容分阻，國內(nèi)鋰電的四巨頭ATL、BYD、力神、比克都能提供品質(zhì)優(yōu)良的電芯，DJI的無人機電池多采用ATL電芯。
電芯從完成封裝就開始了老化過程，即使出廠平衡性、一致性過關(guān)的電池，一段時間以后也可能產(chǎn)生不平衡現(xiàn)象，這是目前電池技術(shù)無法徹底避免的。
而且隨著電池充放電循環(huán)數(shù)的增加，充放電循環(huán)過程會對電極材料的微觀結(jié)構(gòu)造成不可逆損傷，循環(huán)越多損傷越嚴重表現(xiàn)就是容量越來越小，而內(nèi)阻也會隨電池循環(huán)增加越來越高。
(大疆無人機電池)
2、溫度特性
鋰電能量密度越高、重量越輕是不爭的事實，可是這個小傲嬌并不好伺候，低溫、高溫、過流、過充、過放，都會引起供電品質(zhì)和電池壽命的變化。市面上成品電池的印刷標稱性能，通常都是在基于25攝氏度的室溫下達成的，在低溫下，它們的表現(xiàn)可就不一定了。比如5000ma 3S電池，越低溫環(huán)境輸出能力會打有越多折扣，當溫度降低到-3攝氏度，放電容量會損失20%以上。在一般情況下，低溫使用鋰電并不傷害電池，只要回到其適用的環(huán)境溫度，可恢復(fù)性能。
而在超低的溫度下(低于-20攝氏度)，電池中的電解液有可能析出晶體，這些晶體析出后不一定能在回暖后完全溶解回去，可導致電池永久惡化。這也是站長一直呼吁的各位飛手，在低溫場景下，應(yīng)該全程為電池保溫，而不僅僅是飛行前為電池加溫。而剛剛放電結(jié)束的滾燙電池，立即充電會極大影響電池壽命，溫度過高的電池內(nèi)部同樣會發(fā)生負面的化學反應(yīng)，嚴重的甚至會直接鼓包。
而放電達到75度以上的電芯~~ 煙火你見過嘛~…下一秒可能是你的無人機。
如僅作為裸電封裝，以上溫度特性都是需要使用者獲悉的。而如果是一塊同時封裝了管理電路的電池，則需要在充電、放電環(huán)節(jié)，根據(jù)封裝電芯特性介入溫度管理職能。
低溫下大動作打桿，容易導致電流猛增后電壓飛速跌落，如果你無法實時的獲取電池溫度信息，低溫下打桿請多些溫柔。
消費級無人機常用的低C鋰電(內(nèi)阻大發(fā)熱也大，靠內(nèi)阻發(fā)熱一定程度上緩解了電池的低溫低能問題)，在低溫環(huán)境下采用電池全程保溫，起飛后懸停預(yù)熱到20度以上的辦法，通?？梢员ＷC使用安全。而極低溫的環(huán)境，精靈系列用膠帶封閉散熱口，悟1為電池貼上暖寶寶，都是常用的保溫辦法。
那廠家不能給電池加上預(yù)熱模塊么?當然可以~ 但是電池重、續(xù)航短、還貴、良品率也下來了，目前也只有悟2這種高端航拍機電池會去滿足這些需求。
因此!!發(fā)售在冬季的消費級無人機因為掉電導致的事故率，遠高于其他季節(jié)發(fā)售的機型。 (看什么看，我又沒明說是某Air :D )
冬季，可以工作在-20℃的磷酸鐵鋰動力電池就能發(fā)揮優(yōu)勢了，可惜這種電池電壓很低~~ 多串聯(lián)帶來更多死重，不足以彌補續(xù)航時間。
3、負載特性
鋰電池在負載越大時發(fā)熱越嚴重，放電能力的高低決定了負載電流與電池升溫的比例關(guān)系。在冬季，廢熱的好處是可以用于提升電芯溫度保證電池的化學材料活性，穩(wěn)定電壓。而夏季，這種升溫如果超過一定閥值，對飛行安全恰恰是起反作用的。
在鋰電放電接近3V處于放電末端，放電能力會陡峭下降，所以無人機一般把嚴重低壓值設(shè)置在每個電芯3.3V附近。
智能電池可以根據(jù)無人機開銷電流，通過機動性限制、高度下降實時管控電流在電池承受范圍內(nèi)，比裸電飛行有更高安全系數(shù)。
4、容量和續(xù)航
電池的容量相對無人機的續(xù)航時間，有著與汽油與汽車類似的原理。都與多個外部因素相關(guān)，占據(jù)主要決定因素的油門輸出量、自然環(huán)境、溫度的高低會直觀的反映在續(xù)航時間上。因此~所有電池的容量和續(xù)航，都估算的是一個近!似!值!隨著外部變量的時刻變化而變化。
這也是經(jīng)常新手容易歧義的部分，認為同型號機型續(xù)航時間應(yīng)該一致，殊不知風力不同、海拔不同、飛行手法的差異、溫度的差異，續(xù)航時間不可能一致。同理，有多年駕駛經(jīng)驗的司機，與新手開車上路，同一箱油會跑出較大的里程數(shù)差異。
而在整個無人機系統(tǒng)的用電環(huán)境中，電池的輸出電壓才是在整個飛行周期內(nèi)占據(jù)絕對主導地位的存在。只要電壓低于預(yù)設(shè)值，即使電流計計算只放出一半的電量，低壓下可能導致無人機失能，軟件邏輯上也應(yīng)優(yōu)先保全無人機，執(zhí)行返航或降落。
在整個飛行周期中，電壓會隨著外部變量和飛行控制器輸出而起伏，裸電只能依據(jù)飛手經(jīng)驗判斷。而智能電池因為可以與飛行控制器通訊，通過當前電池溫度、電流開銷、消耗容量、返航距離、高度可計算出精度更高的續(xù)航時間，飛行控制器也得以更從容的判定是否還有足夠電量返航，還是應(yīng)該執(zhí)行降落。
但是~ 電池的自放電特性，對于容量計算是天敵。存放一段時間的電池、新購買電池的未充電電池，由于自放電特性，容量計算會存在偏差。
上一刻還有31%容量。
下一秒就給你來個8%迫降到海水里~~ 你說刺激不刺激?
電池的自放電跟蹤，到現(xiàn)在業(yè)內(nèi)都木有很好的解決方案，智能電池在這種情況下，也可能變成智障電池。因此，飛行前將電池充滿電，不用庫存電、不用殘余電，是飛行安全的基本功課。
5、外部封裝和物理連接
能量密度大，放電猛~ 帶來的另一個問題是，鋰電池電芯穿刺后極易燃燒起火。
(炸機起火燃燒后的精靈3電池)
廠家依舊需要在多個需求點中找出平衡：
1、為保證飛機續(xù)航，電池封裝不能沉重。
2、需要為軟包電芯提供一定的耐沖擊能力。
3、為遷就電池的溫度特性，又要考慮兼顧散熱和保溫。
4、接入無人機后的物理牢靠度。
接入無人機的物理牢靠度或許你認為不就是個正負極么 :kb 請~不要小看~ GoPro KARMA在物理連接上已經(jīng)妥妥的死過了一回。
“在Karma發(fā)布僅僅16天之后,因為存在突然斷電的問題,GoPro就宣布召回所有已售出的Karma無人機,約2500架。“
(GOPRO KARMA電池)
(GOPRO KARMA供電接口)
GoPro CEO Nick Woodman曾表示，Karma被召回的原因很簡單，就是出現(xiàn)了一個與電池保持機制相關(guān)的機械問題，以致飛機時的振動會讓少量電池從連接器松動，從而失去電力。雖然GoPro稱，升級版的Karma將不會再出現(xiàn)之前的問題。但已錯過了市場時機。
而智能動力電池還需與無人機連接電池通訊端口，用于傳輸各個電芯電壓、溫度、電流開銷等信息，以上數(shù)據(jù)是無人機計算續(xù)航時間，飛行策略決斷的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
如：通電后，飛控判斷存在電芯差異大于0.2V的單元，存在供電隱患，應(yīng)提示電池異常并禁止起飛。當然，具體電池傳輸數(shù)據(jù)的作用，下面會逐步詮釋。
6、溫控策略
因為電池性能對溫度的敏感性，智能電池傳輸給飛行控制器的電池溫度就派上用場了。
最基本的溫控策略，電池低于一定溫度，可以用禁止起飛，或限制飛行高度和限制機動性的辦法來穩(wěn)定無人機的電池電壓波動，待電池溫度回升，再解除限制。
全球銷量最大的DJI無人機，在這些方面做了大量的嘗試和改進。也經(jīng)歷過低溫硬限制起飛，到后期機動性限制的改進，平衡消費者的使用權(quán)和無人機供電安全。
精靈2通過硬限制下降速率到最大2米/秒，悟1、精靈3為提高無人機性能，跟據(jù)溫度、電流變量加入動態(tài)機動性限制，都是為將無人機因溫度引起的供電波動控制在可接受范圍內(nèi)。
智能電池與飛行控制器配合，在溫度條件不適宜的情況下對飛行行為進行限制，提高了無人機供電安全性。
僅用裸電的無人機，也可以通過單一的飛行控制器溫度數(shù)據(jù)來限制起飛、減小舵量。
7、過放和滿電
因為鋰電池本身的物理特性，過放和長時間滿電存儲都會損傷電池。
大疆對于電池過放采取了強制關(guān)閉策略，以電池為主體，電池低于設(shè)定最低電壓值(單體電芯3V)，直接關(guān)閉電池輸出，保全電池完好。
下面這個視頻是站長的精靈2因為大風飛不回去，最終飛到低壓截至電池直接關(guān)閉輸出，垂直落體。
而其他廠家并未采用這種略顯激進的策略，比如小米的無人機電池低壓并不關(guān)閉電池輸出，以無人機供電作為優(yōu)先考慮。
但從消費級無人機市場反饋而言，過放直接關(guān)閉電池輸出的策略，帶來了更好電池保全度，用戶貪飛用壞電池也是做不到的。不過有的用戶長期存儲未充電，也會因為電池自身緩慢放電產(chǎn)生過放。
而過放不關(guān)閉輸出的電池，在新手不用到螺旋槳停轉(zhuǎn)才罷休的情況下，表現(xiàn)出更多電池因為過放提前完結(jié)壽命。
當然，專業(yè)玩家手里，無論電池如何低壓，關(guān)閉電池導致垂直落體都是不可接受的。
兩種策略其實都對，只是面對不同認知能力的消費者，會體現(xiàn)出不同結(jié)果。當然了，裸電根本不具備電源管理能力，無法自主關(guān)閉。
目前市面上具備主動放電到存儲電壓，避免長時間滿電存放損壞鋰電的，貌似就大疆一家~
裸電如已充滿電又不方便飛行，就得靠自己想辦法放電了。
PS：據(jù)群友反饋，ACE格式也有具備自動放電管理功能的封裝電池。
8、低壓和過流策略
電壓作為無人機運轉(zhuǎn)的核心參數(shù)，低于一定閥值會直接導致電子器件停擺，危害無人機安全。低壓不允許起飛，飛行中低壓執(zhí)行返航或降落，是所有無人機都具備的最基本策略。
在任何情況下，電壓權(quán)重都高于容量，即使還有剩余容量，無人機也會優(yōu)先根據(jù)電壓決定具體策略。所以會出現(xiàn)容量計算還有50%，無人機一樣會在某些場景下執(zhí)行低壓降落程序，舊電池、非充滿的電池在低溫天氣做機動飛行，這個問題會更加嚴重。
低壓觸發(fā)無人機執(zhí)行保護策略是沒錯的，但需妥善考慮特殊場景下的需要，至少應(yīng)通過APP帶超時選擇的辦法提醒飛手將會執(zhí)行的保護策略，并允許人工強制取消，把選擇權(quán)留給飛手。
比如：執(zhí)行智能環(huán)繞的過程中，如果電池低壓直接執(zhí)行降落而不是懸停，等待用戶選擇執(zhí)行保護策略，自顧自的降落有可能造成其他損失。
哪怕處于嚴重低壓需要執(zhí)行降落策略的情況下，只要有遙控器信號，也應(yīng)允許飛手完整操縱飛行器，只是對機動性做一定程度的限制并持續(xù)下降，只為將最高操作權(quán)始終交給飛手。
而在某些場景下，飛行過程中還會出現(xiàn)接近智能電池最大輸出電流的情況，過流會導致電池嚴重發(fā)熱和鼓包，甚至直接損毀電子部件，通過限制機動性可以保護無人機。
自組無人機因為沒有智能電池和系統(tǒng)化的電源管理方案，長時間過流就沒那么走運了~
初始設(shè)計功率冗余不足的便攜無人機，對于過流會更加敏感。而結(jié)合飛行器姿態(tài)、電流開銷、打桿舵量、飛行器位移量，可以估算當前無人機運轉(zhuǎn)環(huán)境的風力，實現(xiàn)大風預(yù)警。大疆首先在業(yè)內(nèi)實現(xiàn)了這個功能，在過流保護監(jiān)控的同時，也為飛手提供了更直接的風力參考。(最早想到這個問題的，肯定是個天才~~ :D )
9、充電
把充電放在最后一段來說并不是說充電不重要，相反，無人機的動力鋰電過充(達到4.8V以上)是百分百要起火燃燒的。
因消費級無人機采用的電池C數(shù)普遍不高，所以充電電流也基本都在10A左右，配合原廠充電器使用罕有起火案例。使用非原廠充電器為電池充電時，充電電流過大容易讓液態(tài)鋰離子和固態(tài)鋰聚合物電池電極長出枝狀晶體，最終導致電池過早老化，需謹慎設(shè)置充電電流和截止電壓。
建議充電過程全程有人值守，一些輕微受損的電池在老化過程中，不是沒有充電起火的可能。
綜上所述，一塊合格的無人機電池，不僅僅需要從選材、封裝、物理連接、自保護策略上合格，還需要無人機飛行控制器配合一系列溫控、流控邏輯才能完善運作。而作為一名合格的無人機飛手，你應(yīng)該了解這些。
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