了解RC电源系统的基础知识

来源：Digikey
作者：Don Johanneck

简介

无线电控制 (RC) 板载电源系统在过去是非常基本的系统，其组件只包括一个接收器和一些由镍镉 (NiCad) 电池供电的伺服机构。然后，随着电机的引入和其他电力需求的增加，RC 系统发生了很大变化。本篇博客将解释现代 RC 电源系统中使用的术语和组件及其常见配置方式。

接收器

RC 接收器 (RX) 有两个作用。首先，解析来自发射器的信号，并将数据导向正确的通道。其次是提供电源轨，为各种伺服机构或使用伺服通道的其他外围设备提供电流和电压。RX 需要稳定的 4.8 V 至 6 V DC 电源来执行控制任务（图 1）。如果 RC 型号由甲烷或气体发动机驱动，只需使用能为接收器提供电压的 NiCad 或 NiMH 电池即可。某些情况下，采用汽油发动机的 RC 车辆会为点火系统单独配备电池。


图 1：RC 接收器的布局。（图片来源：Don Johanneck）

电机

采用电机驱动的型号需要功率更大的电池和独立的油门控制系统。电机控制器接收来自 RX 的油门信号，并将其转换到电池电压范围内，以满足电机的一切需求。为了满足 RX 的电源需求，一些电机控制器为 RX 提供专用 5 V 稳压输出，称为去电池电路或 BEC。这样，系统设计人员就无需安装两块电池。一块电池用于电机，另一块用于 RX。如果控制器没有 BEC 或其 5 V 输出不能提供足够的电流，也可以安装一个直接与电池连接的独立 BEC。

选择有刷电机还是无刷电机？

用于 RC 飞行器推进的有刷 DC 电机使用寿命短，且很快就被无刷 DC 电机 (BLDC) 取代。电机控制器称为电子调速器或 ESC。ESC 按照其额定输出功率及其处理各种 LiPo 电池的能力来分级，锂聚合物电池因其大容量占领了 EC 电池市场。大多数 ESC 都具有上文提到的 BEC 电路，但也有一些没有。BEC 通常指的是线性稳压电路。这种电路效率低，会发热。于是， uBEC 电路应运而生，这是一种效率更高的开关稳压器。


图 2：RC 电源和控制系统。（图片来源：Don Johanneck）

有刷电机按照其输入电压和电流消耗情况分级，而更常见的无刷电机则按照 Kv 分级，且基本上以 RPM 每伏特的形式表示。如果无刷电机的等级为 850 Kv，那么每施加 1 V 的转速就是 850 rpm。4S LiPo 电池的电压约为 14.8 V，在最大电池电流和电机输出轴空载的情况下，850 Kv 时电机的转速为 12,580 rpm。ESC 调节电压，以提供与发射器 (TX) 油门控制位置成比例的满量程转速控制。

要确定无刷电机的潜在电流消耗，需要采用一些模糊的数学计算。用电机的重量（克）乘以系数 3.5，就能得出大致的最大功率。假设 850 Kv 电机的重量为 174 克。该电机的耗电量就约为 600 W。由于瓦特数是电压和电流的乘积，因此用瓦特数除以所施加的电压，就能得出全 RPM 下的电流消耗约 41 A。

一般来说，RC 操作员不会在飞行或驾驶过程中一直保持油门全开运行，但如果他们这样做的话，6500 mAh 电池组可以让 850 Kv 的电机在满载状态下运行约 9.5 分钟（6500 mAh/41000 mA = 0.1585 小时）。

LiPo 电池

LiPoly、锂聚合物或 “LiPo”指的是同一类高输出电池。这些电池的选择依据是 ESC 所能控制的范围和电机要求。为方便查阅，大多数 LiPo 电池都会在电池标签上标明相关信息，包括电芯数量、额定安培小时数和放电速率等。额定电压与电芯数量直接相关。由于每个 LiPo 电芯的标称电压为 3.7 V，“S”或串联值与电池组的串联电芯数量有关。2S 电池组的电压为 7.4 V，3S 电池组的电压为 11.1 V，以此类推。额定安培小时值用于确定电池组在已知电流消耗的情况下可提供电流的时长。DigiKey 提供了一个非常有用的工具，可根据电流消耗计算电池寿命（图 3）。


图 3：估计飞行时间 - DigiKey 电池寿命计算器。（图片来源：DigiKey）

“C”额定值描述了不会导致电芯损坏的电池组的最大电流消耗。只需用“C”额定值乘以以安培为单位的容量即可的得到最大电流消耗。15C 3200 mAh 电池组的最大电流消耗为 48 A。在确定充电速率时，“C”额定值也很有用（图 4）。为 LiPo 电池组正确充电应遵守相应的规定，以防电池损坏以及因过度充电或电芯物理损坏而造成火灾风险。一定要使用充电速率可调且采用平衡导线连接器的充电器，如果可行的话，还可使用传感器来监控电池组的温度。应妥善废弃出现“鼓包”的电池组或电芯明显损坏的电池组，以防充电过程中发生燃烧或爆炸。通常的做法是选择 1C 充电速率，计算方法是将额定 mAh 转换为安培数，然后按此速率充电。上文提到的 3200 mAh 电池组的最大充电速率为 3.2 A（1C）。平衡导线可确保电池组充电均匀，并允许用户使用与平衡导线直接连接的专用仪表来监控每个电芯。


图 4：估计充电时间 - DigiKey 电池寿命计算器。（图片来源：DigiKey）

小心，不要让电池组中的每节电芯的放电电压低于 3.7 V。持续低于此电压水平放电会缩短电池寿命并降低容量。

由于过度充电或物理损坏而造成严重损坏的电池组会膨胀并突破外包装，由于看起来像玉米卷的外壳，所以被称为 “tacoed”。在处理这种电池时，不要再为其充电。这时的电池易挥发且不可预测。为了安全起见，LiPo 电池组不能再使用时必须进行中和并回收。

总结

RC 电源系统可以非常简单廉价，也可以价值数百美元。无论哪种方式，正确的互连和严格的电池监控都将延长电源系统的使用寿命。通常情况下，电源系统的使用寿命为数年甚至数十年。保养得当的电池可以使用几个季度，但由于 RC 车会持续快速放电，因此需要频繁更换。虽如此，还是想想你正在享受的所有乐趣吧！