多旋翼无人机各部分作用图（多旋翼无人机动力系统概述）

各位多多指教。

多旋翼无人机动力系统，一般包括桨，电机，电调，因为电池与动力息息相关，也附带在一起介绍。桨叶转动提供升力，电机转动带动桨叶转动，电调控制电机转动，电池给动力系统提供电能。

1.桨

1.1桨的参数

a.半径

一般情况下，半径增大拉力随之增大，效率随之提高。所以在结构允许的情况下尽量选半径较大的桨。此外还要考虑桨尖气流速度不应过大(<0.7音速)，否则可能出现激波，导致效率降低。

b.桨叶数目

一般情况下，桨的拉力系数和功率系数与桨叶数目成正比。航拍无人机多用两叶桨，穿越机多用三叶桨s甚至更多桨叶数目的桨。

c.叶素

桨的各个剖面称为叶素。

d.翼型

桨的剖面的形状称为翼型。

e.弦长

桨的剖面向下的投影长度称为弦长。

f.螺距

桨旋转一周，75%a半径位置截面上升的距离。

1.2气动总体设计

先来看一下无人机的重量分配：（这里以航拍无人机为例）

载荷：云台相关部件。云台，减震球等。

航电：硬件相关部件。核心板，传感器，整机线材等。

动力系统：电机，桨，电调。

结构：整机结构件。机身结构，螺钉等。

电池：电芯，电池壳，电池保护板。

无人机的功耗分类：

航电功耗：整机硬件功耗、云台功耗等非动力系统功耗。

动力系统装机功耗：装机后，整个动力系统的功耗。

电池电量。

所以无人机的气动总体设计的约束条件：6个重量变量（动力系统，载荷，结构，航电，电池，整机重量） & 4个续航变量（电池电量，航电功耗，动力系统功耗，续航时间） & 飞行性能 & 整机尺寸、桨叶尺寸等。

目标函数：重量目标，续航时间目标，飞行性能。

设计变量：6个重量变量（动力系统，载荷，结构，航电，电池，整机重量） & 4个续航变量（电池电量，航电功耗，动力系统功耗，续航时间） & 飞行性能 & 整机尺寸、桨叶尺寸等。

总体设计的方案就是在满足约束条件和目标函数下的解（设计变量的组合）。

1.3桨叶生产

一般桨叶设计工程师设计出桨叶后，把设计图给到桨叶结构工程师进行生产。无人机桨叶的材料一般是塑料和短纤维的混合，通过注塑工艺进行生产。

工艺流程如下图：

塑料的桨叶，硬度较软，高速时性能损失较大，比较耐摔。

塑料+玻纤的桨叶，硬度中等，高速时性能损失中等，中等耐摔。

塑料+碳纤的桨叶，硬度较强，高速时性能损失较小，不太耐摔。

1.4常见问题：

1.4.1为什么无人机前飞留空时间长？

下图为无人机功耗与前飞速度的关系。

诱导功率（induced）

诱导功率从悬停开始就伴随无人机左右，并且占了旋翼总需用功率的大部分——大约为60%~80%。而随着无人机进入前飞状态，大量的气流不需用诱导作用而直接穿过桨盘，无人机旋翼因而只需要更低的诱导速度就能维持相同的转速，因而诱导功率得以迅速下降。到极限飞行速度时，无人机的诱导功率大约只有悬停诱导功率的1/4甚至更少。

在同样的前飞速度和总重的情况下，旋翼尺寸越大，诱导功率就越小（同样是因为前飞过程中，穿过桨盘平面的空气流量变大的缘故；这也是滑翔机和人力飞行器的机翼尺寸都会尽可能大的原因）。

型阻功率（profile）

型阻功率是用于克服旋翼在空气中运转时受到的粘性阻力所需的功率，悬停状态下，型阻功率一般占旋翼总功率的15%到40%。

废阻功率（parasite）

除了旋翼之外，动力系统还需要输出功率来克服其他各种气动部件产生的阻力，这些阻力只起到了阻碍飞行的作用，因而被称为废阻。在低速飞行的时候，废阻功率还是相当小的，但是它会随着前飞速度不断增大，在高速的时候，废阻功率也将成为需用功率中的重要组成部分。

废阻功率大致与无人机朝向来流的等效截面面积成正比，等效截面面积一般取决于无人机的尺寸和表面光滑度。

可以发现无人机输出功率与前飞速度存在一个经济航速使得无人机输出功率最小。

1.4.2为什么航拍无人机的桨叶多用两片桨？

根据动量定理，悬停状态下，旋翼升力T=2ρAVi2T=2\rho A V_{i} ^{2} 其中ρ\rho 是空气密度 ，A是桨盘面积 ，Vi是诱导速度（空气通过桨盘的速度）， 所以要达到同样的升力，桨盘面积大的旋翼，诱导速度更小。又因为旋翼的诱导功率Pi=TViP_{i} = TV_{i}，即桨盘面积大的旋翼，需要的诱导功率更小。一般桨叶拉力系数随桨叶数目增多而增加，在相同重量下以及飞行性能下，三叶桨的无人机比两叶桨的无人机的桨叶半径要小，所以两叶桨的无人机的效率比三叶桨的无人机的效率高。

航拍无人机一般追求的是更长的续航时间，而非动力性能，所以航拍无人机多用两叶桨。

2.电机

2.1动力电机结构

动力电机一般是永磁同步电机，结构如下：

a.上盖：材料一般是铝（为了减重）或者和磁轭冲压一体成型的钢。

b.磁轭：材料一般是磁导率较高的钢，为了把磁铁的磁感线尽量封闭在电机内，提高磁能的利用率。

c.底座：材料一般是铝，表面积越大越利于电机散热。

d.磁铁：材料一般是烧结钕铁硼，磁铁的参数：剩磁Br，反映磁铁的表磁；矫顽力Hcb，反映使磁铁的磁感应强度降为0所施加的磁场强度；内禀矫顽力Hcj，反映磁铁耐温的能力；最大磁能积（BH）max，磁铁的磁场能量密度。

在同等的条件下，即相同尺寸、相同极数和相同的充磁电压，磁能积高的磁件所获得的表磁也高，但在相同的(BH)max值时，Br和Hcj的高低对充磁有以下影响： Br高，Hcj低：在同等充磁电压下，能得到较高的表磁；Br低，Hcj高：要得到相同表磁，需用较高充磁电压。

e.铁芯：一片一片硅钢片冲压而成，每层之间绝缘，然后用铆钉连接，这样做是为了减小铁损。常用厚度0.2mm，0.35mm，0.5mm。厚度越小，铁损越小，成本越高。铁芯外层要绝缘，一般有绿色涂覆层，或者用塑料绝缘架。

f.漆包线：漆包线绕在铁芯上构成定子绕组，绕线一般分为三角形接法和星型接法，在绕线线径以及匝数一样的情况下，三角形接法的KV值是星型接法的 3\sqrt{3} 倍。

g.轴承：一般用滚珠轴承或者含油轴承。滚珠轴承相对于含油轴承，运动摩擦力小，寿命长，但是价格贵。

2.2动力电机损耗

动力电机损耗一般分为铁损，铜损和摩擦损耗。铁损又可以分为涡流损耗和磁滞损耗，电频率越高铁损越大，铁芯硅钢片的厚度越厚铁损越大。铜损为电流在定子绕组中产生的热损耗， I2RI^{2}R ，与通入绕组中的电流和绕组的电阻有关。摩擦损耗，包含转轴与轴承之间摩擦产生的损耗等。

2.3动力电机特性曲线

相同电压下，电调输出100%，调节负载的大小，测得电机的T-n曲线：

同一电机，相同的KV值，如果输入的电压改变，T-n曲线是就平行线。电机改绕线对特性曲线的影响：同一电机，相同的输入电压，如果改绕线导致KV变化，T-n曲线还是平行线。因为反电动势E = nBLv，相同输入电压的情况下，匝数n变化x倍，最大转速v变化1/x倍。保证槽满率不变，匝数n变化x倍，则单根绕线的面积变化1/x倍，单根绕线电阻变化x倍，匝数n变化x倍，则绕线电阻总共变化x²倍。转速为0时，输入电压全部加到绕线上，I = V/R，则电流变化1/x²倍，扭矩T=nBIL，则扭矩T变化1/x倍。所以同一电机改绕线，T-n曲线还是平行线。不同电机，T-n曲线是斜率不同的线。

那为什么要改电机绕线？保证槽满率不变，以保证效率不发生变化，仅适配电压。 例如：某飞机原在8V时悬停，如果想使其在16V时悬停，则需要把KV减半，增加一倍线圈匝数。

2.4电机槽满率

电机槽满率越高，效率越高，槽满率不变的话，改绕线效率不变。因为槽满率反映了槽中的铜截面积。保证槽满率不变，匝数n变化x倍，则单根绕线的面积变化1/x倍，单根绕线电阻变化x倍，匝数n变化x倍，则绕线电阻总共变化x²倍。为了达到相同扭矩，T=nBIL，电流要变化1/x倍，铜损为I²R，则铜损不变。负载不变的情况下，转速不变，铁损不变，则效率不变。

电机加高的影响：高度变化x倍，绕线不变的情况下，T=nBIL，相同电流的情况下，扭矩T变化x倍。相同工作点（T，v），所需的电流变化1/x倍。高度变化x倍，但是因为绕线绕进槽内有弯折的部分不变，绕线增长不超过x倍，电阻增加不超过x倍，铜损I²R减少超过1/x倍。若电机运行工况下铜损占主导，则加高电机明显减少损耗，提升效率。电机加高，表面积增大，有利于降温。电机价高，质量增加，相同热量产生的温升下降。云台电机几乎都是堵转工况，几乎都是铜损，加高电机的好处更明显。

2.5常见问题

2.5.1为什么使用多极多槽？

极对数越多，越有利于提高电机的扭矩密度和功率密度。当需要大扭矩时，极对数少，则需要磁性很强的磁铁，一方面磁铁的体积会增加，而且会导致磁饱和严重。极对数多，则单个磁铁的磁性就不需要很高，磁铁的体积减小，磁饱和影响也会减小。

2.5.2齿槽转矩的由来？

齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。

2.5.3为什么使用分数槽？

每组每相槽数Q=Z/(3*极数),Q为整数时被称作整数槽绕组，否则称之为分数槽绕组。此方法可以提高齿槽转矩基波的频率，使齿槽转矩脉动量明显减少。整数槽时，存在所有的磁极的中心与齿的中心对齐的情况，此时没有力，但是也存在力最大的情况，分数槽就是避免出现同时所有的磁极对齐齿的中心或者力最大的时刻，就削弱了齿槽转矩的峰值。但是，采用了分数槽后，各极下绕组分布不对称从而使电机的有效转矩分量部分被抵消，电机的平均转矩也会因此而相应减小。

3.电调

电调，全称电子调速器，英文Electronic Speed Control，简称ESC。接收飞控的指令，对电机进行转速的调整。电调的核心硬件电路是三相逆变桥，通过不同时刻开通三相逆变桥中不同的功率管，实现把电池提供的直流电转变成交流电送给电机，让电机运行。

3.1控制方式

BLDC：俗称方波驱动。

FOC：俗称正弦波驱动。

3.2常见功能

根据接收的指令调节电机的转速，上电自检，无人机上电电调控制电机鸣叫，运行中故障的检测等。

4.电池

4.1电芯

4.1.1电芯的结构

一个电芯有很多很薄的单元组成，每个单元由铜极（集流器，负极）、负极活性材料（石墨）、高分子聚合物的隔膜、正极活性材料（过度金属氧化物）、铝极（正极）。通过多个单元堆叠或者卷绕得到一个裸电芯，然后铝塑膜封装，加电解液等工序，最后得到一个电芯。

4.1.2充放电机理

电池的基本原理：正极发生还原反应，得电子；负极发生氧化反应，失电子。电子经过负载，由负极流向正极，形成方向从正极到负极的电流。

放电时，锂金属分开成锂离子和电子，电子通过外部导体从负极流向正极，锂离子在电芯内部通过隔膜流向正极（绝缘，电子不能通过，离子可以通过。材料一般是PP或PE）。

电子和锂离子在正极重新结合。当负极的锂金属几乎全部跑到正极，则电池电量用完。

充电过程则相反：

4.1.3电芯核心参数

a.容量：容量的单位一般为“mAh”(毫安时)或“Ah”(安时)，在使用时又有额定容量和实际容量的区别。额定容量是指满充的锂离子电池在实验室条件下(比较理想的温湿度环境)，以某一特定的放电倍率(C-rate)放电到截止电压时，所能够提供的总的电量。实际容量一般都不等于额定容量，它与温度、湿度、充放电倍率等直接相关。一般情况下，实际容量比额定容量偏小一些，有时甚至比额定容量小很多，比如北方的冬季，如果在室外使用手机，电池容量会迅速下降。

b.能量密度：指的是单位体积或单位重量的电池，能够存储和释放的电量，其单位有两种：Wh/kg，Wh/L，分别代表重量比能量和体积比能量。这里的电量，是上面提到的容量(Ah)与工作电压(V)的积分。在应用的时候，能量密度这个指标比容量更具有指导性意义。

c.充放电倍率：这个指标会影响锂离子电池工作时的连续电流和峰值电流，其单位一般为C(C-rate的简写)，如1/10C，1/5C，1C，5C，10C等。举个例子来阐述倍率指标的具体含义，某电池的额定容量是10Ah，如果其额定充放电倍率是1C，那么就意味着这个型号的电池，可以以10A的电流，进行反复的充放电，一直到充电或放电的截止电压。如果其最大放电倍率是10C@10s，最大充电倍率5C@10s，那么该电池可以以100A的电流进行持续10秒的放电，以50A的电流进行持续10秒的充电。

d.电压：锂离子电池的电压，有开路电压、工作电压、充电截止电压、放电截止电压等一些参数，

开路电压，顾名思义，就是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，此即为电池的开路电压。

工作电压，就是电池外接负载或电源，处在工作状态，有电流流过时，测量所得的正负极之间的电位差。一般来说，由于电池内阻的存在，放电状态时的工作电压低于开路电压，充电时的工作电压高于开路电压。

充/放电截止电压，是指电池允许达到的最高和最低工作电压。超过了这一限值，会对电池产生一些不可逆的损害，导致电池性能的降低，严重时甚至造成起火、爆炸等安全事故。

e.寿命：锂离子电池的寿命会随着使用和存储而逐步衰减，并且会有较为明显的表现。仍然以智能手机为例，使用过一段时间的手机，可以很明显的感觉到手机电池“不耐用”了，刚开始可能一天只充一次，后面可能需要一天充电两次，这就是电池寿命不断衰减的体现。

锂离子电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个参数。循环寿命一般以次数为单位，表征电池可以循环充放电的次数。当然这里也是有条件的，一般是在理想的温湿度下，以额定的充放电电流进行深度的充放电(100% DOD或者80%DOD)，计算电池容量衰减到额定容量的80%时，所经历的循环次数。

日历寿命的定义则比较复杂，电池不可能一直在充放电，有存储和搁置，也不可能一直处于理想环境条件，会经历各种温湿度条件，充放电的倍率也是时刻在变化的，所以实际的使用寿命就需要模拟和测试。简单的说，日历寿命就是电池在使用环境条件下，经过特定的使用工况，达到寿命终止条件(比如容量衰减到80%)的时间跨度。日历寿命与具体的使用要求是紧密结合的，通常需要规定具体的使用工况，环境条件，存储间隔等。

f.工作温度范围：由于锂离子电池内部化学材料的特性，锂离子电池有一个合理的工作温度范围(常见的数据在-40℃~60℃之间)，如果超出了合理的范围使用，会对锂离子电池的性能造成较大的影响。不同材料的锂离子电池，其工作温度范围也是不一样的，有些具有良好的高温性能，有些则能够适应低温条件。锂离子电池的工作电压、容量、充放电倍率等参数都会随着温度的变化而发生非常显著的变化。长时间的高温或低温使用，也会使得锂离子电池的寿命加速衰减。因此，努力创造一个适宜的工作温度范围，才能够最大限度的提升锂离子电池的性能。除了工作温度有限制之外，锂离子电池的存储温度也是有严格约束的，长期高温或低温存储，都会对电池性能造成不可逆的影响。

4.1.4过充、过放、充电电流过大的问题

过充：

因为当电压高于4.2V时候，正极材料里面的锂原子数量减少，储存原子的结构就会坍塌，并且是永久性的是不可逆的。如果继续充电，那么负极已经塞满了锂离子情况下，锂离子就会在负极表面与电子生成锂金属，也就是我们说的枝晶，这些枝晶会刺穿隔膜，使正负极短路。过充还会让温度升高，温度超过180℃，电解液会分解，产生大量的气体和热量，壳体会膨胀，破裂后，氧气进入与锂金属发生剧烈反应也会爆炸。

过放：

锂离子电池在长期的存储过程中会面临着自放电过大的风险，特别是在较低的开路电压下，由于自放电过大可能导致锂离子电池的电压过低，引起负极负极的铜箔溶解等风险，由于溶解的铜元素在充电的过程中会再次在负极表面析出，产生的金属铜枝晶可能会刺穿隔膜，引起正负极短路，因此发生过度放电或者电压过低都会导致锂离子电池彻底失效。过放也会导致阴极的石墨结构坍塌，导致永久性容量变低。

充电电流过大：

负极的动力学条件差时，导致负极无法接收大量的锂离子，锂离子就会在负极表面与电子生成锂金属枝晶。和过充类似。

4.1.5电芯阳极材料

常常会说到三元锂电池或者铁锂电池，这些都是按照正极活性材料来给锂电池命名的。介绍一些常见的电池材料：钴酸锂（LiCoO2），锰酸锂（LiMn2O4），镍钴锰酸锂（LiNiMnCoO2或NMC），镍钴铝酸锂（LiNiCoAlO2或称NCA），磷酸铁锂（LiFePO4）。

钴酸锂（LiCoO2）在高比能量方面表现出色，但在功率特性、安全性和循环寿命方面只能提供一般的性能表现。

锰酸锂（LiMn2O4）热稳定性高，安全性提高，但循环和日历寿命有限。低电池内阻可实现快速充电和大电流放电。整体性能一般。纯锰酸锂电池不多，大多数锰酸锂与锂镍锰钴氧化物（NMC）混合，以提高比能量并延长寿命。

镍钴锰酸锂（LiNiMnCoO2或NMC）最成功的锂离子体系之一是镍锰钴（NMC）的阴极组合，镍以其高比能量而闻名，但稳定性差；锰尖晶石结构可以实现低内阻但比能量低。两种活性金属优势互补。良好的整体性能，并且在比能量方面表现出色。

磷酸铁锂（LiFePO4）主要优点是高额定电流和长循环寿命。良好的热稳定性，增强了安全性和对滥用的容忍度。比能量较低。

4.1.6电芯负极材料

4.1.7推荐阅读：

4.2电池保护板

俗称BMS，电池管理系统。一般的功能包括：电池状态的估算；电池充放电管理；电池间的均衡。

4.2.1电池状态估算

电池状态包括电池温度、SOC（荷电状态估计）、SOH（健康状态估计）、SOS（安全状态估计）、SOF（功能状态估计） 及SOE（可用能量状态估计）。电池温度估计是其他状态估计的基础，SOC 估计受到SOH 的影响，SOF 由SOC、SOH、SOS 以及电池温度共同确定的，SOE 则与SOC、SOH、电池温度、未来工况有关。

4.2.2均衡

生产制造和使用过程的差异性，造成了动力电池单体天然就存在着不一致性。不一致性主要表现在单体容量、内阻、自放电率、充放电效率等方面。单体的不一致，传导至动力电池包，必然的带来了动力电池包容量的损失，进而造成寿命的下降。有研究表明，单体电芯20%的容量差异，会带来电池包40%的容量损失。电池单体的不一致，会随着时间的推移，在温度以及振动条件等随机因素的影响下进一步恶化。如同这个世界永远向着熵增的方向前进一样。趋势无法逆转，但可以干预，降低它的恶化速率。方法之一就是通过电池管理系统对电芯实施均衡。

被动均衡：运用电阻器，将高电压或者高荷电量电芯的能量消耗掉，以达到减小不同电芯之间差距的目的，是一种能量的消耗。

主动均衡：运用储能器件等，将荷载较多能量的电芯部分能量转移到能量较少的电芯上去，是能量的转移。

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