能量单元的设计要根据无人机系统的具体要求进行，这涉及具体任务和机型选择，对于小型多旋翼无人机而言，一般采用航电电池作为能量单元，本节主要针对这一种情况，但在设计过程中需要考虑的重要节点是具有普遍性的。多旋翼无人机动力部分的螺旋桨和电动机是主要耗能单元，根据无人机是否搭载有效负载，动力部分占整个系统能耗的比例范围约在50%～90%。......
2023-07-05
无人机机型对能量单元选择的影响及安全事故风险
【摘要】：无人机机型对于能量单元选择的影响主要体现在机身结构上，如多旋翼机型为航电电池的挂载提供了较为集中并且相对开放的实现环境。续航时间对无人机系统能量单元的影响是最为直接的。飞行环境对无人机能量单元的影响往往是隐藏在无人机的实际使用和飞行过程中的。而在有些行业应用中，无人机的能量单元如果设计不善还可能造成重大安全事故。
图5.53 利用可持续能源一直是航空工业研究的重点方向之一（图片来源：NASA）
如果问到现阶段限制民用无人机发展的技术瓶颈有哪些，无人机续航能力一定排在前列。能量问题是一切电子系统都要面对的核心问题之一，无人机操作过程中最不愿意出现的情况就是飞得兴起之时，响起了低电量警报。
能量单元会直接影响无人机的性能，反过来无人机的设计方式以及任务要求、飞行环境也会影响该系统能量单元的实现能力，其中比较重要的有三个方面：①无人机机型；②任务要求；③环境情况。
无人机机型对于能量单元选择的影响主要体现在机身结构上，如多旋翼机型为航电电池的挂载提供了较为集中并且相对开放的实现环境。有些多旋翼无人机机身在设计时采用负载区域上下分层的方式，方便了有效负载和电池的安装，比如在无人机机身中央区下部安装有效负载，上部放置航电电池的结构，既可以有效减少两部分的重叠空间，又可以方便无人机系统使用者更换电池从而提高了无人机连续作业效率。
图5.54 硝基动力T-Rex600无人机（图片来源：Paul Chapman）
如果在多旋翼无人机上采用油动系统，就会占用大量有效负载空间，同时油动系统需要无人机能够提供比较稳定的飞行运动，这会与某些需要快速姿态变化的飞行任务相矛盾。采用不同的动力系统可能需要在机身结构上进行相应的设计，如将多旋翼中常用的定距桨改为类似直升机型无人机的变距桨或者改变多旋翼的操作结构等，这些结构和操作方式的改动不利于大多操作者直接使用。
任务需求会体现在无人机本身的性能实现中，比如不同无人机系统对续航时间的不同要求，无人机不同飞行情况下对最大放电倍率的不同要求等。续航时间对无人机系统能量单元的影响是最为直接的。更长的续航时间自然要求能量单元能够提供更多的能量，可是能量是守恒的，更多能量要求势必增加能量单元整体的质量，从而增加了负载重量，又降低无人机的续航时间。这样的矛盾贯穿于无人机设计的各个层面上：更好的有效负载与续航时间；更强的无人机动力与续航时间；更大的航电电池与整机重量等。
最大放电倍率是电池的重要参数，详细内容会在后面电池参数中给出，读者在这里需要了解的是，不同的任务要求决定了无人机的飞行情况，而不同的飞行情况将决定系统对能量单元的最终要求。比如长时间匀速飞行喷灌任务与需要快速机动的无人机竞速任务在飞行状况上的区别将直接体现在能量单元的选择中。
飞行环境对无人机能量单元的影响往往是隐藏在无人机的实际使用和飞行过程中的。比如在消费级无人机产品中，无人机的能量单元需要在家用环境下具备快充功能，在这种情况下能量单元的充电方式必须能够与居家环境中已有的充能设备对应，如一些小型自拍无人机可以通过手机充电宝或充电器来进行充电等。而在有些行业应用中，无人机的能量单元如果设计不善还可能造成重大安全事故。如在消防，安保，电力巡检等特种作业任务中，无人机面临的飞行环境与家庭环境或城市中的一般环境区别很大，比如高温、高电磁干扰、强风、高湿度等。此时能量单元的设计必须满足使用行业中特定的环境要求。又或者某项任务是在气温极低或海拔极高的环境中进行，在这些情况下无人机对能量系统的要求与一般环境差异很大。
一般市面上的航电电池（而非电池厂家专门为无人机公司设计的航电电池）从外形上看结构大体一致：电池主体、供电端口、充电端口。本节后面会从电池参数与充电注意事项两个方面介绍航电电池，前者可以帮助读者在自己的无人机设计或产品选购中做出正确判断，后者有益于读者在日常使用中对电池进行正确操作与维护保养。
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2023-07-05
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