基于续航型无人机的电池低温环境选型设计探讨

张建康，张华晟

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司大理局，云南 大理 671000)

充电型四旋翼无人机属于典型的无人机实现模式，其滞空能力和续航能力一直属于技术短板，即便在东部低海拔地区，受到电池容量、旋翼效率、电动力效率等影响，其续航性能依然较低。而在海拔超过3 500 m的中西部高原地区，因为常规气温较低，影响电池自身的充放电效率，其续航能力的设计压力更为显著[1]。

早期的充电型四旋翼无人机采用锂离子动力电池(锂电池)作为电能载体，锂电池拥有能量密度小、质量轻便、充放电效率高等优点，但在低温以及大功率放电条件下，锂电池的表现并不好[2]。近年来因为动力型电池在电动汽车等领域的应用日趋成熟，能够适应-20 ℃低温环境且能够在3 500 m以上海拔使用的动力型电池在电动汽车领域得到了技术验证，所以随着电池的小型化，动力型电池正逐步推广到高海拔与低温环境下的无人机领域[3]。

当前常用的动力型电池，包括锂离子动力电池、磷酸铁锂动力电池(石墨烯电池)、镍钴锰动力电池(三元电池)等。其中：锂电池出现时间较早，能量密度可达150 A·h/kg，在其出现的早期，快速取代铅酸电池、镍氢电池等，成为手机等移动设备、电动自行车等应用场景的首选电池形式[4]。早期的四旋翼无人机，往往也是使用锂电池。石墨烯电池在2015年前后投入市场，至今石墨烯技术仍在不断革新中，2018年相关测试表明，其能量密度可达175～180 A·h/kg，而2019年相关测试表明，其能量密度已经稳定在185 A·h/kg以上，且因为石墨烯电池与石墨烯技术可以较大程度整合，是当前石墨烯电池的重要实现形式[5-6]。三元电池的能量密度与锂电池相当，均为150 A·h/kg，但因为其价格低廉，是当前市场上认为可取代锂电池的重要技术模式[7]。

本文重点比较锂离子动力电池、石墨烯电池、三元电池的低温性能，以寻求提升四旋翼无人机在高海拔(H>3 500 m)及低温环境(T<-20 ℃)条件下续航性能的途径[8]。

1 环境温度对电池充放电性能的影响

低温环境下，电池电解液活性降低，电池内电阻特别是固液膜电阻增大，是导致其充电放电效率降低的重要原因[9]。在本文考察的-20 ℃条件下，锂电池无法达到工作放电要求，石墨烯电池和三元电池的充放电性能变化情况如图1所示。图中CV_Charge是恒压充电，CC_Charge是恒流充电。

图1中，石墨烯电池和三元电池在-10 ℃环境温度下，均表现出一定程度的充放电能力下降趋势，而在-20 ℃条件下，石墨烯电池恒压充电占比超过60%，而三元电池的恒压充电占比约为35%。即单纯考虑低温条件下的电池充放电比，三元电池的表现优于石墨烯电池。同时考虑到二者的价格比，在高海拔导致的低温环境下，三元电池的性价比远优于石墨烯电池。

图1 不同温度下动力电池的充电曲线和充电容量对比

在对电池充放电性能的电化学过程进行测量验证时，发现在常温(25 ℃)下，3种电池均可在恒压恒流条件下实现电池的充电过程，且均可使电池SOC(state of charge)达到100%，但随着温度降低，电池恒流充电过程缩短而恒压充电过程增加，导致电池充电时间延长且充电后的SOC难以达到100%，其中在-20 ℃锂电池SOC只能控制在65%左右，而石墨烯电池SOC能达到94%,三元电池SOC可达到87%。SOC直接影响到电池的充放电次数，当前技术条件下，在-20 ℃环境下进行石墨烯电池持续充放电试验，其充放电次数可达3 500次，而在相同条件下，三元电池的充放电次数约2 000次，锂电池的充放电次数小于500次，详见表1。

表1 3种电池的综合充放电性能比较表

针对当前的市场需求，常规环境下电池充放电次数应达到3 000次以上，在本文研究的高海拔低气温地区，其充放电理想次数仍需达到2 000次以上，因此后续研究会重点关注石墨烯电池和三元电池的低温环境适应性研究。

考察发现，石墨烯电池和三元电池在不同温度条件下(-30～25 ℃)，其放电过程电压变化规律如图2所示。图中曲线从上向下依次为25 ℃、0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃。

图2 动力电池的放电电压曲线图

图2中，三元电池即便在25 ℃条件下，其放电过程伴随的压降也较为显著。而在25 ℃条件下，按照最大放电速率，石墨烯电池的准恒压放电时间可以达到3 000 s以上；而-20 ℃条件下，石墨烯电池的稳定放电时间可达1 100 s。同样在-25 ℃条件下，三元电池无法达到恒压放电，但其可用放电时间(电压大于3.0 V)达到了1 700 s，详见表2。

表2 电池的放电性能比较表

由表可知，受到低温影响，石墨烯电池和三元电池的工作电压均有所下降，其中石墨烯电池的工作电压下降了21.2%，三元电池的工作电压下降了14.3%。

2 利用新电池技术提升四旋翼无人机续航能力的解决方案

通过上述分析可知，降低四旋翼无人机设计过程中的电池理论工作电压，可以实现一定程度的电池性能保障。如采用石墨烯电池，需要将其额定电压设定在2.6 V，而不是理论值3.3 V；如果使用三元电池，则应将其额定电压设定在3.0 V，而不是理论值3.5 V。对于绝大部分四旋翼无人机来说，其电动机的工作电压必须保障一个恒定值，也就是说，必须通过增加电池数量以确保系统在高海拔低气温环境下的可用性[10]。

以某四旋翼无人机系统的48 V驱动电池系统为例，针对高原环境进行改造之前，使用每组12节10 A·h锂电池，电池有效质量1.4 kg，封装后电池系统的总质量2.7 kg。如果需要保障48 V的系统工作电压，在-20 ℃条件下，使用石墨烯电池，则每组需要19节电池，每节容量需要达到7 A·h以上，根据-20 ℃条件下的能量密度试验结果，其每节有效质量将达到38 g，19节有效质量之和将达到0.73 kg，封装后电池系统总质量为1.7 kg。如果使用三元电池，则每组需要16节电池，每节容量需要达到7.5 A·h以上，根据-20 ℃条件下的能量密度试验结果，其每节有效质量将达到50 g，16节有效质量之和将达到0.80 kg，封装后电池系统总质量为1.8 kg，即电池系统升级后，电池系统质量较锂电池均有所下降。如果为了保障电池系统的可用性，两种电池均使用双组并联结构，那么石墨烯电池和三元电池的系统质量将分别达到3.4 kg和3.6 kg，略重于使用锂电池的电池系统质量，详见表3。

表3 电池系统自重比较表

由表3可知，因为该四旋翼无人机系统的原始电池系统设计质量为2.7 kg，所以使用新电池后，其实际电池质量小于原始设计质量，存在技术革新的可行性。但是，原电池系统最大电流的放电时间是按照3 000 s设计的，而使用石墨烯电池后，最大电流放电时间只有1 100 s，使用三元电池后，最大电流放电时间也只有1 700 s，所以应采用两组电池并联的方式确保其最大电流放电时间。由于采用两组电池并联后，电池系统质量会超出原设计中的电池系统质量，因此在实际环境下进行了试飞，以对比两种电池的技术改进效果，详见表4。

表4 无人机实际环境试飞结果表

由表4可知，因为采用了两组电池并联的方式进行系统部署，所以即便起飞全重分别增加4.1%(石墨烯电池方案)和5.3%(三元电池方案)，电池的实际负荷均远低于设计值的90%状态，但在实际500次试飞中，石墨烯电池方案有376次超出了5 400 s的设计滞空时间，占75.2%，而三元电池方案有491次超出了5 400 s的设计滞空时间，占98.2%。三元电池方案的实际试飞结果，显著优于石墨烯电池方案。考虑到三元电池的实际购置价格远低于石墨烯电池，所以虽然前文分析中三元电池的充放电次数显著低于石墨烯电池，本文仍更倾向使用三元电池方案作为高海拔低气温条件下的技术改进方案。

3 结束语

不论是早期试飞测试还是实验室环境下的低温电池性能试验，都证明以往在低海拔地区使用的锂电池无法满足四旋翼电动力无人机在高海拔低气温条件下的续航保障需求。虽然在相关研究中，石墨烯电池得到诸多研究课题的青睐，但在本文引入低配置电动力汽车中使用的三元电池并进行对比试验后，发现以下三点技术特征：

1)三元电池的能量密度远低于石墨烯电池，低温条件(-20 ℃)的充放电次数2 000次也远低于石墨烯电池的3 500次。从表面数据来看，三元电池方案不如石墨烯电池方案。

2)试飞验证实验中，石墨烯电池方案和三元电池方案均实现了较强的续航能力支持，但超过设计续航能力的实验次数三元电池方案占优，且三元电池方案的最大续航时间达到6 200 s以上，石墨烯电池方案的最大续航时间仅为5 600 s，即如果不考虑充电次数影响，三元电池方案的续航能力远优于石墨烯电池方案。

3)根据充放电次数推算电池寿命，石墨烯电池方案的电池寿命为三元电池方案电池寿命的1.75倍，但石墨烯电池市场价格为三元电池市场价格的4.2倍，因此从性价比角度分析，三元电池方案的实际成本远低于石墨烯电池方案。

所以本文认为使用三元电池方案，按照每组16节布置，采用2组并联的方式作为系统电池，对实现高海拔低气温条件下的四旋翼电动力无人机续航能力提升有积极意义。