无人机蓄电池使用维护工艺技术

2018-11-15潘俊晖

现代制造技术与装备 2018年10期

潘俊晖

（中国直升机设计研究所，景德镇 333001）

1 蓄电池性能介绍

某型号无人直升机因试验及飞行原因，蓄电池需要经常充放电。由于蓄电池的种类不同，其充放电的特性不同。充放电过程中，操作人员对其特性不清楚，使用维护方法不当，导致蓄电池的使用寿命减少以及性能降低。本文针对不同类型蓄电池的充放电特性以及工作环境，提出相应的使用维护工艺，延长蓄电池的使用寿命。

2 工艺方案分析

2.1 聚合物锂电池的性能特点

聚合物锂电池由正极集流体、正极膜、聚合物电解质膜、负极膜以及负极集流体组成。外包封铝塑复合薄膜将其边缘热熔封合。电解质膜是固态的，不存在漏液问题。聚合物锂电池在设计上自由度很大，可根据需要实施串联、并联以及双极结构。

相比于液态电芯的金属外壳，聚合物锂电池的安全性好。一旦发生安全隐患，液态电芯容易爆炸，而聚合物锂电池则不会发生爆炸。聚合物锂电池可制成任意形状和尺寸，具有厚度薄、质量轻、容量损失少和保护设计简单等优点。聚合物锂电池能量高，较同等尺寸规格的钢壳电池容量高15%，较铝壳电池容量高10%。聚合物锂电池采用胶体电解质，和液态电解质相比，胶体电解质具有平稳的放电特性和更高的放电平台。

2.2 镉镍密封碱性蓄电池的性能特点

镉镍密封碱性蓄电池需采用特殊设计，防止充电时析气产生高压。电池可以密封，除了充放电外不需要其他维护，适用温度范围广，工作寿命长。电池高倍率放电适用于大电流放电。

2.3 工艺方案关键技术难点及分析

无人直升机蓄电池使用聚合物锂电池和镉镍密封碱性蓄电池，两种类型的蓄电池充放电特性差异较大，故针对不同的类型，提出相应的解决方案。例如，蓄电池冲放电时电压和电流对电池寿命的影响；蓄电池充放电及使用时温度对电池寿命和性能的影响；蓄电池贮存及运输时应注意的问题。

3 工艺方案设计

3.1 总体思路

根据工艺方案分析，结合锂电池和镉镍密封碱性蓄电池的特点，本文设计一种实用性强、维护简单的方案，解决蓄电池使用维护中存在的问题。其工艺流程如图1所示。

3.2 针对充放电电压及电流的影响

锂电池的额定电压为3.6V（有的产品为3.7V），终止放电电压为2.50～2.75V（电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同）。锂电池的放电终止电压不应小于2.5V×n（n是串联的电池数），低于终止放电电压应停止放电，否则会使电池寿命缩短。

锂电池对充电的要求很高，它要求精密的充电电路以保证充电的安全。充满电时的终止充电电压与电池负极材料有关。焦炭为4.1V、石墨为4.2V，一般称其为4.1V锂电池或4.2V锂电池。终止充电电压精度允差为额定值的±1%（例如，充4.200V的锂电池，其允差为±0.042V），过压充电会造成锂电池永久性损坏。

锂电池不适合大电流放电，大电流放电时内部会产生较高的温度而损耗能量，减少放电时间，若电池中无保护元件它还会产生过热损坏电池。因此，电池生产工厂会给出最大放电电流，人们在使用中不能超过产品特性表中给出的最大放电电流。

锂电池充电电流应根据电池生产厂的建议选择，以免发生过流（过热）。一般常用的充电率为0.25～1.00C，推荐的充电电流为0.5C（C是电池的容量，如标称容量1500mA·h的电池，充电电流为0.5×1500＝750mA）。在大电流充电时往往要检测电池温度，防止因过热而损坏电池产生爆炸。

图1 工艺总体设计流程

3.3 针对充放电及使用时温度的影响

在不同温度下，锂电池的放电电压及放电时间是不同的。锂电池应在-20～60℃范围内进行放电（工作）。锂电池充电时，其环境温度不能超过产品特性表中所列的温度范围。锂电池应在0～45℃范围内进行充电，远离高温（高于60℃）和低温（-20℃）环境。锂电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流，会造成电池损坏、使用寿命下降。

3.4 针对锂电池贮存及运输时应注意问题

锂电池可贮存在温度为-5～35℃，相对湿度不大于75%的清洁、干燥、通风的环境中，避免与腐蚀性物质接触，远离火源及热源。锂电池不能置于阳光直射的地方，而且不能随意拆卸。锂电池若长期贮存，电池电量应保持标称容量的30～50%，推荐贮存的电池每6个月充电一次。电池应使用汽车、火车、轮船、飞机等交通工具进行运输，在运输过程中应防止剧烈振动、撞击、挤压以及日晒雨淋。

3.5 镉镍密封碱性蓄电池使用维护工艺方案

3.5.1 针对充放电电压及电流的影响

镉镍圆柱形密封电池在不同倍率充电特性曲线如图2所示，镉镍圆柱形密封电池在不同倍率放电特性曲线如图3所示。由图2、图3分析得出，恒流充电时，通常采用0.1C充电14～16h，或者采用0.2C充电6～7h。在这些条件下，对电池无损坏，用较高充电率充电会导致内压高而损坏电池。恒压充电易导致热失控，一般采用限流恒压充电。此外，浮充电是以较低的恒电流充电，使电池保持全充电状态。