無人機蓄電池使用維護工藝技術

潘俊暉

（中國直升機設計研究所，景德鎮 333001）

1 蓄電池性能介紹

某型號無人直升機因試驗及飛行原因，蓄電池需要經常充放電。由于蓄電池的種類不同，其充放電的特性不同。充放電過程中，操作人員對其特性不清楚，使用維護方法不當，導致蓄電池的使用壽命減少以及性能降低。本文針對不同類型蓄電池的充放電特性以及工作環境，提出相應的使用維護工藝，延長蓄電池的使用壽命。

2 工藝方案分析

2.1 聚合物鋰電池的性能特點

聚合物鋰電池由正極集流體、正極膜、聚合物電解質膜、負極膜以及負極集流體組成。外包封鋁塑復合薄膜將其邊緣熱熔封合。電解質膜是固態的，不存在漏液問題。聚合物鋰電池在設計上自由度很大，可根據需要實施串聯、并聯以及雙極結構。

相比于液態電芯的金屬外殼，聚合物鋰電池的安全性好。一旦發生安全隱患，液態電芯容易爆炸，而聚合物鋰電池則不會發生爆炸。聚合物鋰電池可制成任意形狀和尺寸，具有厚度薄、質量輕、容量損失少和保護設計簡單等優點。聚合物鋰電池能量高，較同等尺寸規格的鋼殼電池容量高15%，較鋁殼電池容量高10%。聚合物鋰電池采用膠體電解質，和液態電解質相比，膠體電解質具有平穩的放電特性和更高的放電平臺。

2.2 鎘鎳密封堿性蓄電池的性能特點

鎘鎳密封堿性蓄電池需采用特殊設計，防止充電時析氣產生高壓。電池可以密封，除了充放電外不需要其他維護，適用溫度范圍廣，工作壽命長。電池高倍率放電適用于大電流放電。

2.3 工藝方案關鍵技術難點及分析

無人直升機蓄電池使用聚合物鋰電池和鎘鎳密封堿性蓄電池，兩種類型的蓄電池充放電特性差異較大，故針對不同的類型，提出相應的解決方案。例如，蓄電池沖放電時電壓和電流對電池壽命的影響；蓄電池充放電及使用時溫度對電池壽命和性能的影響；蓄電池貯存及運輸時應注意的問題。

3 工藝方案設計

3.1 總體思路

根據工藝方案分析，結合鋰電池和鎘鎳密封堿性蓄電池的特點，本文設計一種實用性強、維護簡單的方案，解決蓄電池使用維護中存在的問題。其工藝流程如圖1所示。

3.2 針對充放電電壓及電流的影響

鋰電池的額定電壓為3.6V（有的產品為3.7V），終止放電電壓為2.50～2.75V（電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數略有不同）。鋰電池的放電終止電壓不應小于2.5V×n（n是串聯的電池數），低于終止放電電壓應停止放電，否則會使電池壽命縮短。

鋰電池對充電的要求很高，它要求精密的充電電路以保證充電的安全。充滿電時的終止充電電壓與電池負極材料有關。焦炭為4.1V、石墨為4.2V，一般稱其為4.1V鋰電池或4.2V鋰電池。終止充電電壓精度允差為額定值的±1%（例如，充4.200V的鋰電池，其允差為±0.042V），過壓充電會造成鋰電池永久性損壞。

鋰電池不適合大電流放電，大電流放電時內部會產生較高的溫度而損耗能量，減少放電時間，若電池中無保護元件它還會產生過熱損壞電池。因此，電池生產工廠會給出最大放電電流，人們在使用中不能超過產品特性表中給出的最大放電電流。

鋰電池充電電流應根據電池生產廠的建議選擇，以免發生過流（過熱）。一般常用的充電率為0.25～1.00C，推薦的充電電流為0.5C（C是電池的容量，如標稱容量1500mA·h的電池，充電電流為0.5×1500＝750mA）。在大電流充電時往往要檢測電池溫度，防止因過熱而損壞電池產生爆炸。

圖1 工藝總體設計流程

3.3 針對充放電及使用時溫度的影響

在不同溫度下，鋰電池的放電電壓及放電時間是不同的。鋰電池應在-20～60℃范圍內進行放電（工作）。鋰電池充電時，其環境溫度不能超過產品特性表中所列的溫度范圍。鋰電池應在0～45℃范圍內進行充電，遠離高溫（高于60℃）和低溫（-20℃）環境。鋰電池在充電或放電過程中若發生過充、過放或過流，會造成電池損壞、使用壽命下降。

3.4 針對鋰電池貯存及運輸時應注意問題

鋰電池可貯存在溫度為-5～35℃，相對濕度不大于75%的清潔、干燥、通風的環境中，避免與腐蝕性物質接觸，遠離火源及熱源。鋰電池不能置于陽光直射的地方，而且不能隨意拆卸。鋰電池若長期貯存，電池電量應保持標稱容量的30～50%，推薦貯存的電池每6個月充電一次。電池應使用汽車、火車、輪船、飛機等交通工具進行運輸，在運輸過程中應防止劇烈振動、撞擊、擠壓以及日曬雨淋。

3.5 鎘鎳密封堿性蓄電池使用維護工藝方案

3.5.1 針對充放電電壓及電流的影響

鎘鎳圓柱形密封電池在不同倍率充電特性曲線如圖2所示，鎘鎳圓柱形密封電池在不同倍率放電特性曲線如圖3所示。由圖2、圖3分析得出，恒流充電時，通常采用0.1C充電14～16h，或者采用0.2C充電6～7h。在這些條件下，對電池無損壞，用較高充電率充電會導致內壓高而損壞電池。恒壓充電易導致熱失控，一般采用限流恒壓充電。此外，浮充電是以較低的恒電流充電，使電池保持全充電狀態。

圖2 鎘鎳圓柱形密封電池在不同倍率充電特性曲線

圖3 鎘鎳圓柱形密封電池在不同倍率放電特性曲線

3.5.2 針對充放電及使用時溫度的影響

鎘鎳密封電池在較寬溫度范圍內具有良好的工作特性，在-20～30℃工作狀態最佳，在70℃時仍具有較好的工作特性。不同溫度下的放電特性曲線如圖4所示。

圖4 圓柱鎘鎳密封電池低溫放電特性曲線

3.5.3 針對鎘鎳電池貯存及運輸時應注意的問題

鎘鎳電池貯存時，每6個月定時充放電一次，保持電池的最佳狀態。除充放電外，不需額外的保養和維護。貯存時勿超過其限定溫度即可。在運輸方面與鋰電池一樣，電池應包裝成箱進行運輸，在運輸過程中應防止劇烈振動、撞擊或擠壓。

4 結語

本文通過對蓄電池的充放電特性分析，設計出一套相對有效、完整的工藝方案，為蓄電池的使用和維護制定了規范，該方案解決了蓄電池使用維護不規范導致蓄電池使用壽命減少、性能下降的問題。