无人机的动力系统包括电动、油动、太阳能动力等类型。民用无人机多以电池作为动力来源,通过无刷电机为无人机提供动力。这主要是因为相对于油动等类型的无人机来说,电池的安全性较高,且使用成本相对较低,并且无刷电机可快速响应指令,精准地控制转速,从而提高无人机的稳定性。
聚合物锂电池(Li-polymer)的重量轻,能量密度高,且具有良好的安全性和稳定性,广泛用于各种民用无人机。聚合物锂电池通常包含以下几个参数。
(1)电芯组合方式与电压。一个聚合物锂电池通常采用多个电芯串联的方式组合,其电池电压即为电芯电压的倍数。例如,3个额定电压为3.7V的电芯串联即可组合为额定电压为11.1V的电池,这样的电芯组合方式称为“3S1P”,其中“3S”表示3个串联单位,“1P”表示每个单位一个电芯。常见的电芯组合方式多为“2S1P”、“3S1P”、“4S1P”、“6S1P”、“12S1P”等。大疆无人机中常见的电芯组合方式如表1-3所示。
表1-3 大疆无人机中常见的电芯组合方式
(2)电池容量。电池容量是指电池内存储的电能大小,通常以毫安时(mAh)为单位,如2200mAh、4480mAh等。电池容量与其电压的乘积才表示电池具体蕴含的能量。例如,电池额定电压为15.2V的4480mAh的电池,其满电可释放的能量大约为68Wh。
(3)放电倍率(C)。放电倍率用于标称最大的放电电流,而不损害电池。例如,“40C 2200mAh”的电池的最大电流为两者的乘积,即88A。
(4)出线接口。无人机电池的常见接头包括T插头、XT60、XT90、XT150、AS150等。不同的出线接口所能承受的电流各不相同,应当充分考虑其电池的最大放电电流后做出正确选择。例如,XT60最大能承受的电流为45A,极限瞬时电流可以承受100A左右。
由于聚合物锂电池常常具有多个电芯,因此不可将电池所有的电芯直接串联充电,否则会造成电芯电压的不平衡。通常,电池的充电设备会对每个电芯单独充电,以防止某些电芯过充后电压过高而导致失火报废风险。
大疆无人机的电池被称为“智能飞行电池”,其优势在于其通过内部芯片和电路保持电池各电芯电压的平衡,在长期不使用电池时自动开始“自放电”以保证安全和延长电池寿命,并且通过自身的保护电路避免“过充”和“过放”风险。
利用无刷电机提供无人机动力的设备包括无刷电机、电子调速器(也称为电调,ESC)和螺旋桨。
(1)无刷电机。无刷电机,即不存在碳刷的电机,避免了有刷电机中碳刷产生火花对电磁波信号产生干扰。无刷电机具有干扰低、寿命长、噪声低等特点,其型号通常采用4位数字表示,用于声明其定子尺寸。例如,精灵3和精灵4的电机型号分别为“2312A”和“2312S”,且“2312S”的效率高于“2312A”,其定子尺寸均为“23mm×12mm”。无刷电机通常不标称功率,但是一般来说定子尺寸越大,其功率也就越大。另外,无刷电机还具有另外一个重要的参数—KV值。KV值是指1V电压下电机空转的转速。在同尺寸的无刷电机中,KV值通常与其绕线匝数相关,绕线匝数越多,其KV值越小,反之亦然。KV值越小的无刷电机可以提供更大的扭力,从而可安装更大尺寸的螺旋桨,但是可提供的最大转速会相应地降低。
(2)电子调速器。无刷电机需要PWM三相交流电驱动,而电子调速器就是将电池提供的直流电转换为交流电的装置。电子调速器通过改变换相频率调整电机转速,并可提供“刹车”功能。电子调速器的参数主要为可承受的最大持续电流,如“40A”的电子调速器可承受持续40A的电流,同时可承受更大的瞬时电流。
(3)螺旋桨。螺旋桨是指安装在无刷电机上,将电机的动力转换为对无人机拉力的气动装置,可分为柳叶形螺旋桨、马刀形螺旋桨等。在多旋翼无人机中,螺旋桨直接为无人机提供升力,其设计也直接影响了无人机的续航和噪声大小。