1 引言

近年来，在民用和军用无人机市场，无人机需求与日俱增，无人机产品迭代周期明显缩短，与无人机系统相配套的航电系统，导航系统，数据链系统，动力系统等也得到了高速发展，其中，聚合物锂电池作为电动无人机目前主要的动力来源，影响着无人机的航程与航时，是直接制约无人机发展与应用的关键因素。

2 锂电池原理

聚合物锂电池，又叫做高分子锂电池，是新一代的锂电池，具有能量密度高、轻量化、可弯曲、可超薄化，可做成任意形状等优点。同样体积的锂聚合物锂电池的容量能够达到一般锂电池的一倍，而且成本更低更安全。一般聚合物锂电池用铝塑或防火塑料包装。

聚合物锂电池的原理与液态锂相同，主要区别是电解液与液态锂不同。电池主要的构造包括有正极、负极与电解质三项要素。聚合物锂离子电池在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料做为主要的电池系统。而在所开发的聚合物锂离子电池系统中，高分子材料主要是被应用于正极及电解质。

正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子电池所采用的无机化合物，电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质，或是有机电解液，一般锂离子技术使用液体或胶体电解液，正极发生的反应为：

负极采用锂—碳层间化合物LixC6等，其反应为：

总反应表达式为:

图1聚合物锂电池反应过程

3 主要性能参数

聚合物锂电池作为一种电化学电源，天然的具有电压、内阻、容量、比能量、比功率等特性参数。出于两个方面的目的，对电池的参数进行测量和评价。一个是为了实现主动控制的目的，比如，电池单体电压不一致，使得系统能量存储能力降低，如果能够主动调节两极的单体电压，则可以起到放大系统容量的效果。另一个是为了安全考虑，电池的参数有其固定的范围，检测电池参数，实施监控其边界，可以起到表征电池安全状态的作用。聚合物锂电池的主要性能参数是电池设计，生产过程中的一个重要环节，对电池的性能评估起着重要作用。

3.1电压

电池的开路电压（V），即电池外部不接任何负载或电源，测量电池正负极之间的电位差，即为电池的开路电压。工作电压，与开路电压相对应，即电池外接上负载或电源，有电流流过电池，测量所得的正负极之间的电位差。

单片电芯是指1S电池，其额定电压为3.7V。单片锂电芯的实际电压为2.75~4.2V，锂电上标的电容量是4.2V放电至2.75V所获得的电量。每节锂电池的电压通常为3.7v到4.2v，也就是说每一节锂电池的空电电压为3.7v，满电电压为4.2v。

3.2电池容量

电池容量的定义：能够容纳或释放的电荷Q，即Q=It，电池容量（Ah）＝电流（A）x 放电时间（h），单位一般为Ah或mAh。例如电池标注22000mAh，在工作时电流为1A时，理论上可以使用2.2h。

3.3电池能量

电池储存的能量，单位为Wh（瓦时），能量（Wh）＝电压（V）×电池容量（Ah）。

例如，标识为3.7V/22000mAh的6S电池，其能量为488.4Wh，把2块这样的电池串联，就组成了一个电压是44.4V，容量为22000mAh的电池组，虽然没有提高电池容量，但总能量确提高了2倍。

3.4能量密度

单位体积或单位质量电池释放的能量。如果是单位体积，即体积能量密度（Wh/L），很多地方直接简称为能量密度；如果是单位质量，就是质量能量密度（Wh/kg），也可称作比能量。如一节锂电池重300g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其比能量为123 Wh/kg。比能量越大，电池续航能力越强。

3.5功率密度

将能量除以时间，便得到功率，单位为W或kW。同样，功率密度是指单位质量或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L，也可称作比功率。比功率是评价电池是否满足电动无人机加速性能的重要指标。比能量和比功率究竟有什么区别在于比能量高的动力电池耐力好，可以长时间工作，保证无人机续航里程长；比功率高的动力电池，响应速度快，可以提供很高的瞬间电流，提高无人机的加速性能。

3.6放电倍率

放电倍率（C）是指在规定时间内放出其额定容量（Q）时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数。放电倍率决定了电池的放电电流（A），例如，对于容量为24Ah，放电倍率5C的电池，它的放电电流就是120A。如果其放电倍率为2C，0.5小时放电完毕；用12A充电，如果其充电倍率为0.5C，2小时充电完毕；

电池的充放电倍率，决定了我们可以以多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。

图2 12s锂聚合物锂电池

3.7荷电状态

SOC，全称是State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池放电后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。其取值范围为0~1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。电池管理系统（BMS）就是主要通过管理SOC并进行估算来保证电池高效的工作，所以它是电池管理的核心。目前SOC估算主要有开路电压法、安时计量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等。

3.8内阻

内阻（R）是指电池在工作时，电流流过电池内部受到的阻力。包括欧姆内阻和极化内阻，其中：欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的电阻；极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。

内阻的单位一般是毫欧姆(mΩ)，内阻大的电池，在充放电的时候，内部功耗大，发热严重，会造成电池的加速老化和寿命衰减，同时也会限制大倍率的充放电应用。所以，内阻做的越小，电池的寿命和倍率性能就会越好。通常电池内阻的测量方法有交流和直流测试法。

3.9自放电

电池自放电，是指在开路静置过程中电压下降的现象，又称电池的荷电保持能力。

一般而言，电池自放电主要受制造工艺、材料、储存条件的影响。自放电按照容量损失后是否可逆划分为两种：容量损失可逆，指经过再次充电过程容量可以恢复；容量损失不可逆，表示容量不能恢复。目前对电池自放电原因研究理论比较多，总结起来分为物理原因（存储环境，制造工艺，材料等）以及化学原因（电极在电解液中的不稳定性，内部发生化学反应，活性物质被消耗等），电池自放电将直接降低