电动:我最简单
进入21世纪,随着无刷电动机、电调和锂电池的技术成熟,电动无人机逐渐进入历史舞台,靠着多旋翼飞行器对螺旋桨转速控制的苛刻要求,电动无人机大行其道。电动无人机的整套系统已经日趋完善,包含无刷电动机、电子调速器(电调)和动力电池组等。
无刷电动机和无刷电调
无刷动力系统
无人机上常用的无刷电动机,全称是无感直流无刷电动机(Sensorless Brushless Direct Current Motor)。区别于传统的电刷换向电动机,无刷电动机内部没有换相电刷,由电子调速器控制电动机的持续旋转,因此没有电刷损耗。这种设计可以最大限度简化电动机的设计,也能让电动机的功率飞速增长,满足飞机上更大功率的需求,也使电动机的使用寿命迅速改善。
无刷电动机诞生于1955年,美国D.Harrison首先申请相关专利,但是直到20世纪80年代才进入实用,主要是当时的晶体管电子调速器发热量大,功率无法增长。随着金属氧化物半导体场效应晶体管技术,简称场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)器件的高速发展,电子调速器的发热量逐年下降,大功率高速换向问题得到根本性解决。无刷电动机和无刷电调作为一对形影不离的好兄弟进入人类工业领域,并在21世纪逐渐在微型航空器中普及,其中受益最大的就是航模和无人机。
20世纪末,甲醇发动机和汽油发动机还是航模和无人机的必选装备,但是无刷电动机改变了这一切,无刷电动机电调组成的动力系统,结构和成本远远低于内燃机,而工作可靠性却好很多。没有甲醇和硝基甲烷的毒性,没有汽油机轰鸣的噪声,关键是摆脱了大功率起动器的困扰。微型飞行器终于可以被大多数普通爱好者接受,而不必为它学习一大堆复杂机械结构的拆卸、清理、维修、保养、起动和调试等操作,极大地降低了飞行器的使用难度。另外随着四旋翼的普及,电动机转速更容易精确控制的特性,彻底结束了油动发动机的统治地位。
FOC技术无刷动力系统
FOC无刷动力组
常见的无刷电动机由三相交变的直流方波驱动,方波的占空比控制转速和功率。这种技术有个与油动发动机相同的缺陷,低速时无法精确控制。对于玩具和追求大功率的航模来说,这当然不是问题。但是对于一些需要高精度控制,或者需要使用低速螺旋桨提高效率的无人机来说就不是很理想了。因此从无刷电动机发明之初就有另一种控制方式存在,使用大功率正弦波信号对磁场进行矢量控制驱动电动机,我们现在将这项技术叫作FOC(Field-Oriented Control)。该项技术由达姆施塔特工业大学的K.Hasse及西门子公司的F.Blaschke于1970年提出,由布伦瑞克工业大学的Leonhard进一步完善成为电动机控制技术。由于具有良好的低速特性,FOC无刷电动机控制技术广泛地用于电动自行车和风机等领域,但是这些FOC电动机都是有感无刷电动机,需要在电动机上安装霍尔传感器感应电动机的转动来进行精确换向。直到TI推出了一整套无感无刷电动机方案,才在2015年由大疆引进,并用于多旋翼无人机。由此可见,一项新技术的应用需要无数前辈辛勤的劳动才能一点点地完善。
动力电池
1860年,法国人普朗泰发明了铅蓄电池,开启了充电电池的应用。伟大的发明家爱迪生是锂离子电池的发明者,但是因为锂的化学性质不稳定,当时的工艺无法完成生产和使用,该发明一直被搁置。直到1995年,日本索尼公司发明了聚合物锂电池,1999年开始商品化。
至今,可充电的聚合物锂电池是飞行器动力电池的最佳选择。这种电池内阻小,放电能力强,能量密度高,是可充电动力电池的理想选择。别看聚合物锂电池外在强悍,其本质却是一个娇气的公主:过度充电会损坏;过度放电会永久失去一部分容量;使用寿命只有200循环,电池组寿命甚至只有不到一百个循环;产品一致性差;低温下性能下降明显;表皮破裂会与空气强烈反应起火燃烧;能量密度一般在0.13~0.15瓦时/克,已经十几年没有长足的进步了。这两年最新的技术进展只有一项,就是将充电截至电压提高到4.35伏的HV技术,但是这项技术对电池容量的提升有限。
对于这样一个让人又爱又恨又离不开的设备,大家一直在寻找替代品。2008年,美国特斯拉公司率先在它的电动汽车产品上使用了大量18650锂离子电池来当作动力组。这种电池因为放电能力有限,之前一直被用来作为设备电池使用,它的最大特点就是使用寿命很长,能量密度高,低温特性较好,产品一致性好,所以给特斯拉汽车带来独一无二的续航能力。随着技术发展,这种锂离子电池也有了大电流放电的动力性,虽然放电能力依然远远不如聚合物锂电池,但是已经可以在一些电流不太大的飞行器上使用了。于是有些无人机公司想引入锂离子电池作为动力来使用,但是这种电池放电能力和发热量还不是很理想,要驾驭这种电池,需要飞行器拥有良好的匹配设计和前期计算。
特斯拉的18650电池组
燃料电池是另一种潜在的替代品。1839年英国的Grove发明了燃料电池,现在被广泛地应用于航天领域。常见的燃料电池用氢或甲醇作为燃料,在化学催化的作用下与氧气发生反应,直接释放电能。燃料电池的最大优点就是加注迅速,比聚合物锂电池要方便得多。但是使用燃料电池需要一整套配套设备,氢气需要气体的压缩存储和运输设备,一旦出现事故会发生剧烈燃烧;甲醇大多含有杂质(甲醛)带有毒性,所以使用也会受到限制。所以燃料电池的生产、配送和使用的工业环境有待建设。