市场上数百种无人机电池，很难决定哪种最适合您的无人机。主要挑战之一就是解读电池上列出的众多性能指标，例如容量、放电倍率和电芯配置。
为您的无人机选择合适的电池，不仅有助于提高性能，还能延长其使用寿命。就像电机和螺旋桨一样，电池最终也会损坏，但通过选择合适的电池并安全操作，可以推迟这一过程。
本文将介绍：
- 什么是锂聚合物电池
- 锂聚合物电池安全
- 如何解读锂聚合物电池
- 锂聚合物电池容量
- 电池额定电压
- 锂聚合物电池电芯配置
- 放电倍率/C倍率
- 如何为您的无人机选择锂聚合物电池
- 示例 - 选择合适的电池以获得最长的飞行时间
图 1：Otus 四旋翼无人机使用的锂聚合物电池组
什么是锂聚合物电池
无人机中最常用的电池是锂聚合物（LiPo）电池。锂聚合物电池由锂基阴极和阳极组成，中间隔着聚合物电解质。
锂聚合物电池与其他锂离子（Li-ion）电池的不同之处在于，它们采用固体聚合物电解质，而不是液体电解质。常见的聚合物电解质包括干式、多孔式或凝胶式，例如聚甲基丙烯酸酯（PMMA）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏二氟乙烯（PVdF）和聚氧化乙烯（PEO）。
锂聚合物电池背后的科学原理与其他锂离子电池相同：当电子从电池的阳极流向阴极时，化学能转化为电能，从而产生电流。阴极含有锂金属氧化物（如钴酸锂（LiCoO2）），提供锂离子，而阳极则含有锂碳化合物（如石墨）。
阳极和阴极由电解质隔开，电解质与阳极相互作用产生电子，从而在电芯中形成电荷梯度。当阳极带负电时，电子沿导线流向阴极。因此，整个系统会发生电化学氧化还原反应（还原/氧化）：阳极失去电子并被氧化，而阴极获得电子并被还原。
图 2：锂聚合物电池氧化还原反应
与镍镉或镍氢电池相比，锂基电池具有更高的能量密度，这意味着它们可以用更小的重量提供更多能量。锂聚合物电池在能量密度方面可与锂离子电池媲美，但因不易泄漏而尤其受欢迎。
锂聚合物电池的能量密度在重量方面为 140 - 200+ Wh/kg，在体积方面为 250 - 350+ Wh/L。在组装无人机时，体积能量密度很重要，因为电池必须安装在机架上，但对于性能计算，重量能量密度更为重要。密度越高，成本也越高，因此您的预算也可能成为限制因素。
图 3：常见电池类型按体积和重量计算的相对能量密度（图片来源：Open Impulse）
Sion Power 的 Licerion 电池有望很快成为无人机领域的首选，并与锂聚合物电池一较高手。这些电池的能量密度最高可达 500 Wh/kg 和 1000 Wh/L。与其它锂离子电池相比，它们的液体电解质体积也减少了 50%。它们专为无人应用设计，特别是高空伪卫星（HAPS）和高空长航时（HALE）无人机。
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锂聚合物电池安全
由于内部化学特性，锂聚合物电池发生火灾和鼓胀的风险比旧技术更高。如果电池在极限状态下或超过极限运行，可能会导致氧原子堆积和氧化锂（Li2O）的生成，从而增大内阻。内阻越大，产生的热量就越多，热失控循环就会开始。
一旦电池组开始鼓胀，这通常意味着电池已损坏到无法修复，或已达到使用寿命的终点。继续使用会进一步提高温度，并可能引发火灾。
对于常见的锂聚合物电池，每节电芯的标称电压或平均电压为 3.7 V，最大电压为 4.2 V。电芯充满电后，会短暂提供 4.2 V，然后大部分使用时间内会降至 3.7 V。当电芯电压降至 3.2 V 以下时，继续放电电池会变得危险，因为电池内阻会增大，导致其发热和鼓胀，从而造成损坏。
图 4：锂聚合物电池起火（图片来源：alishanmao）
为了避免这种情况，许多电机制造商在其控制器中加入了低电压保护（LVC），使其在达到一定阈值（通常在 3.2 - 3.4 V 之间）后停止放电。锂聚合物电池过充同样危险，可能导致过热，甚至 发生爆炸。
锂离子电池火灾被归类为 B 类易燃液体火灾，因此应使用 ABC 型或 BC 型灭火器来扑灭。这些灭火器能阻止化学反应继续发生，并最终扑灭火灾。
如需更多锂聚合物电池安全提示，请查看 The Drone Girl 关于“每个锂聚合物电池用户都应该知道的 15 件事”的文章。
如何解读锂聚合物电池
锂聚合物电池上标有几项重要信息，包括：电池容量、电压、电芯配置和放电倍率（图 15）： 
图 5：常见的锂聚合物电池标签
锂聚合物电池容量
电池容量以 mAh 或 Ah 表示，可用于估算飞行时间（稍后会详细介绍）。电池容量更具体地说，是指电池能提供的电流或功率所对应的时长。常见单位是安时（Ah）和瓦时（Wh）。如果电池容量为 1 Ah，您可以在一小时内抽取 1 A 的电流。如果容量为 1 Wh，电池将能提供 1 W 的功率持续一小时。
电池额定电压
电池的额定电压可帮助您确定电机转速和电流。由于电机以 Kv 为单位，单位为 RPM/Volt，因此电池可提供的电压将决定电机的转速。
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如果额定电压过低或抽取电流过高，可能会损坏电路甚至引发火灾，因此必须仔细选择电池电压。要确定无人机能抽取的最大电流，请使用推进力测试台安装电机和螺旋桨，并以最大油门运行。100% 油门下记录的电流可显示电机能抽取的最大电流，因此将其乘以电机数量，即可得出无人机的总电流需求。电池应能提供至少这么多电流，以避免过热。
另一种确定电池最大可抽取电流的方法是将 Ah 容量乘以 C 倍率。对于额定 5800 mAh/5.8 Ah 且持续放电倍率为 25C 的电池，您能安全抽取的最大电流为 145 A（5.8 x 25 = 145）。
锂聚合物电池电芯配置
电芯配置有时会标在标签上，描述电池中锂聚合物电芯的数量和排列方式。请记住，一个锂聚合物电芯的标称电压为 3.7 V，多个锂聚合物电芯可以串联。4S 电池包含四个串联（S）的锂聚合物电芯，电压为 14.8 V（4 x 3.7 V = 14.8 V）。电池还可能带有类似 4S2P 的代码，这表示有四个电芯串联，两组电芯并联（P），总共包含八个锂聚合物电芯。
放电倍率/C 倍率
放电倍率或 C 倍率是衡量电池能安全放电速度的指标。如果电池的 C 倍率为 25，容量为 5800 mAh/5.8 Ah，您就可以以电池容量的 25 倍安全放电，即 25 x 5.8 = 145 Ah。以该倍率持续供电，5.8 Ah 电池可在 2.4 分钟内放完电（(5.8 / 145) x 60 = 2.4）。电池还可能有放电范围或“峰值”放电倍率，电池在短时间内可能超过其持续功率输出而不至于过热，例如在突然爬升或修正过程中。更高的 C 倍率非常适合需要爆发速度的应用，例如无人机竞速，因为电池可以非常快速地提供所需电流。
如何为您的无人机选择锂聚合物电池
最适合您无人机的电池是与您的应用最匹配的那一款。如果飞行时间是您的主要关注点，您需要减小重量并最大化电池容量（公式 1），这取决于能量密度和重量（公式 2）。
其中：
E = 容量
σ = 能量密度
M = 重量（克）
如果功率和速度是您的首要任务，您需要一款能快速提供大量电流且不发热的电池，因此您需要寻找高电压和高 C 倍率的电池。
以下是各电池参数对性能影响的总结：
电池容量
- 容量越高 → 飞行时间越长 → 重量越大
- 增加电池容量会带来更长的飞行时间，但随着电池重量的增加，收益会逐渐递减（图 6）
- 测试多款电池可以帮助您找到最大有效容量
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图 6：无人机飞行时间与电池容量对比
电压
- 高电压电池会使电机以更高转速旋转，因此请选择与您所需转速范围相匹配的电压
- 高电压电池通常效率更高，但也会更重——请参考推力测试中的效率值，以找到平衡点
放电倍率/C 倍率
- 根据您的应用选择倍率——高速和快速供电，还是持续低功率
- 如果放电倍率过低，无人机将缺乏功率并性能不足
- 如果放电倍率过高，您可能会承受不必要的重量
电流需求
- 使用上述方法确定电机的电流需求
- 电池应能提供至少与无人机需求相当的电流，以避免过热
示例 - 选择合适的电池以获得最长飞行时间
为了演示选择合适电池的过程，我们将以组装农业无人机为例——它必须具备较长的飞行时间，但我们不需要快速的功率爆发。我们将使用对推进系统收集的数据来辅助决策。
我们希望选择容量尽可能大且能将无人机总重量控制在 20 kg 左右的电池。其他组件的重量为 12.5 kg，因此我们有 7.5 kg 的重量可分配给电池。
我们需要总计 196 N 的推力，使无人机保持在进行大部分操作的悬停状态，这相当于每个电机/螺旋桨组合约 50 N：(20)*(9.81) / 4 = ~49 N。在我们的设计中，我们希望无人机能够以最高悬停推力的两倍运行，因此每个推进单元需要最高 100 N 的推力。
电机制造商告诉我们，电机的最大持续电流为 100 A。乘以 4 个电机，如果以最大容量运行，电池需要能提供至少 400 A 的持续电流。
然而，我们可以查看电机的推力数据，发现当推力达到悬停推力的两倍（100 N）时，每个电机仅抽取约 27 A（图 7）。乘以 4 个电机，在大部分任务中，无人机的总电流需求将不超过 108 A。
图 7：抽取电流与电机推力对比
在电压方面，电机制造商没有提供任何数据，但我们可以回顾一下推进系统测试结果，可以看到电机在我们的运行范围内所采用的电压为 45 - 49 V（图 8）。
图 8：无人机运行范围内的电压与推力关系
我们的无人机不需要爆发性速度，因此我们将寻找一款 14S / 51.8 V 电池，最低放电倍率为 25C，重量小于 7.5 kg。
以下是符合这一描述的三款候选电池：
为了计算表中估算的飞行时间，我们使用了公式 2 的修订版本。我们将 Ah 转换为 Wh，方法是将 Ah 值乘以 47 V，并使用 10 克/瓦的固定值作为螺旋桨效率：
根据这些结果，电池 C 将为我们提供最长的飞行时间（33 分钟），且不会超过我们的重量限制。我们可以从这款电池中获取的最大电流为 550 A（22 Ah x 25C = 550），超过了我们电机的最大电流需求。因此，我们将选择电池 C 用于我们的组装。
结论
为您的无人机选择合适的电池可以帮助您提高性能、飞行时间和续航力。这一过程始于了解电池的不同特性，例如电池容量、放电倍率和电压。
然后您可以确定您组装的优先事项——您需要尽可能长的飞行时间，还是能够提供强劲的爆发动力？这一切都取决于您打算如何使用您的无人机。
最后，测试您的推进系统可以帮助您缩小候选范围，并找到最适合该用途的电池组。
延伸阅读：关于无人机组装与优化的电子书：如何提高您的飞行时间、载荷和整体效率
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