了解 RC 電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識

作者： Don Johanneck

簡介

無線電控制 (RC) 板載電源系統(tǒng)在過去是非常基本的系統(tǒng)，其組件只包括一個接收器和一些由鎳鎘 (NiCad) 電池供電的伺服機構(gòu)。然后，隨著電機的引入和其他電力需求的增加，RC 系統(tǒng)發(fā)生了很大變化。本篇博客將解釋現(xiàn)代 RC 電源系統(tǒng)中使用的術(shù)語和組件及其常見配置方式。

接收器

RC 接收器 (RX) 有兩個作用。首先，解析來自發(fā)射器的信號，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)向正確的通道。其次是提供電源軌，為各種伺服機構(gòu)或使用伺服通道的其他外圍設(shè)備提供電流和電壓。RX 需要穩(wěn)定的 4.8 V 至 6 V DC 電源來執(zhí)行控制任務(wù)（圖 1）。如果 RC 型號由甲烷或氣體發(fā)動機驅(qū)動，只需使用能為接收器提供電壓的 NiCad 或 NiMH 電池即可。某些情況下，采用汽油發(fā)動機的 RC 車輛會為點火系統(tǒng)單獨配備電池。

圖 1：RC 接收器的布局。（圖片來源：Don Johanneck）

電機

采用電機驅(qū)動的型號需要功率更大的電池和獨立的油門控制系統(tǒng)。電機控制器接收來自 RX 的油門信號，并將其轉(zhuǎn)換到電池電壓范圍內(nèi)，以滿足電機的一切需求。為了滿足 RX 的電源需求，一些電機控制器為 RX 提供專用 5 V 穩(wěn)壓輸出，稱為去電池電路或 BEC。這樣，系統(tǒng)設(shè)計人員就無需安裝兩塊電池。一塊電池用于電機，另一塊用于 RX。如果控制器沒有 BEC 或其 5 V 輸出不能提供足夠的電流，也可以安裝一個直接與電池連接的獨立 BEC。

選擇有刷電機還是無刷電機？

用于 RC 飛行器推進(jìn)的有刷 DC 電機使用壽命短，且很快就被無刷 DC 電機 (BLDC) 取代。電機控制器稱為電子調(diào)速器或 ESC。ESC 按照其額定輸出功率及其處理各種 [LiPo 電池]的能力來分級，鋰聚合物電池因其大容量占領(lǐng)了 EC 電池市場。大多數(shù) ESC 都具有上文提到的 BEC 電路，但也有一些沒有。BEC 通常指的是線性穩(wěn)壓電路。這種電路效率低，會發(fā)熱。于是， uBEC 電路應(yīng)運而生，這是一種效率更高的開關(guān)穩(wěn)壓器。

圖 2：RC 電源和控制系統(tǒng)。（圖片來源：Don Johanneck）

有刷電機按照其輸入電壓和電流消耗情況分級，而更常見的無刷電機則按照 Kv 分級，且基本上以 RPM 每伏特的形式表示。如果無刷電機的等級為 850 Kv，那么每施加 1 V 的轉(zhuǎn)速就是 850 rpm。4S LiPo 電池的電壓約為 14.8 V，在最大電池電流和電機輸出軸空載的情況下，850 Kv 時電機的轉(zhuǎn)速為 12,580 rpm。ESC 調(diào)節(jié)電壓，以提供與發(fā)射器 (TX) 油門控制位置成比例的滿量程轉(zhuǎn)速控制。

要確定無刷電機的潛在電流消耗，需要采用一些模糊的數(shù)學(xué)計算。用電機的重量（克）乘以系數(shù) 3.5，就能得出大致的最大功率。假設(shè) 850 Kv 電機的重量為 174 克。該電機的耗電量就約為 600 W。由于瓦特數(shù)是電壓和電流的乘積，因此用瓦特數(shù)除以所施加的電壓，就能得出全 RPM 下的電流消耗約 41 A。

一般來說，RC 操作員不會在飛行或駕駛過程中一直保持油門全開運行，但如果他們這樣做的話，6500 mAh 電池組可以讓 850 Kv 的電機在滿載狀態(tài)下運行約 9.5 分鐘（6500 mAh/41000 mA = 0.1585 小時）。

LiPo 電池

LiPoly、鋰聚合物或 “LiPo”指的是同一類高輸出電池。這些電池的選擇依據(jù)是 ESC 所能控制的范圍和電機要求。為方便查閱，大多數(shù) LiPo 電池都會在電池標(biāo)簽上標(biāo)明相關(guān)信息，包括電芯數(shù)量、額定安培小時數(shù)和放電速率等。額定電壓與電芯數(shù)量直接相關(guān)。由于每個 LiPo 電芯的標(biāo)稱電壓為 3.7 V，“S”或串聯(lián)值與電池組的串聯(lián)電芯數(shù)量有關(guān)。2S 電池組的電壓為 7.4 V，3S 電池組的電壓為 11.1 V，以此類推。額定安培小時值用于確定電池組在已知電流消耗的情況下可提供電流的時長。DigiKey 提供了一個非常有用的工具，可根據(jù)電流消耗[計算電池壽命]（圖 3）。

圖 3：估計飛行時間 - DigiKey 電池壽命計算器。（圖片來源：DigiKey）

“C”額定值描述了不會導(dǎo)致電芯損壞的電池組的最大電流消耗。只需用“C”額定值乘以以安培為單位的容量即可的得到最大電流消耗。15C 3200 mAh 電池組的最大電流消耗為 48 A。在確定充電速率時，“C”額定值也很有用（圖 4）。為 LiPo 電池組正確充電應(yīng)遵守相應(yīng)的規(guī)定，以防電池?fù)p壞以及因過度充電或電芯物理損壞而造成火災(zāi)風(fēng)險。一定要使用充電速率可調(diào)且采用平衡導(dǎo)線連接器的充電器，如果可行的話，還可使用傳感器來監(jiān)控電池組的溫度。應(yīng)妥善廢棄出現(xiàn)“鼓包”的電池組或電芯明顯損壞的電池組，以防充電過程中發(fā)生燃燒或爆炸。通常的做法是選擇 1C 充電速率，計算方法是將額定 mAh 轉(zhuǎn)換為安培數(shù)，然后按此速率充電。上文提到的 3200 mAh 電池組的最大充電速率為 3.2 A（1C）。平衡導(dǎo)線可確保電池組充電均勻，并允許用戶使用與平衡導(dǎo)線直接連接的專用儀表來監(jiān)控每個電芯。

圖 4：估計充電時間 - DigiKey 電池壽命計算器。（圖片來源：DigiKey）

小心，不要讓電池組中的每節(jié)電芯的放電電壓低于 3.7 V。持續(xù)低于此電壓水平放電會縮短電池壽命并降低容量。

由于過度充電或物理損壞而造成嚴(yán)重?fù)p壞的電池組會膨脹并突破外包裝，由于看起來像玉米卷的外殼，所以被稱為 “tacoed”。在處理這種電池時，不要再為其充電。這時的電池易揮發(fā)且不可預(yù)測。為了安全起見，LiPo 電池組不能再使用時必須進(jìn)行中和并回收。

總結(jié)

RC 電源系統(tǒng)可以非常簡單廉價，也可以價值數(shù)百美元。無論哪種方式，正確的互連和嚴(yán)格的電池監(jiān)控都將延長電源系統(tǒng)的使用壽命。通常情況下，電源系統(tǒng)的使用壽命為數(shù)年甚至數(shù)十年。保養(yǎng)得當(dāng)?shù)碾姵乜梢允褂脦讉€季度，但由于 RC 車會持續(xù)快速放電，因此需要頻繁更換。雖如此，還是想想你正在享受的所有樂趣吧！

審核編輯 黃宇