瞭解 RC 電源系統的基礎知識

簡介

無線電控制 (RC) 的車載電源系統過去是相當基本的設備，只有一個接收器以及由鎳鎘電池供電的一些伺服機。但在引進電動馬達加上其他電力需求後，RC 系統發生了很大變化。本部落格文章說明現代化 RC 電源系統所用的術語和元件，以及這些元件的常見配置方式。

接收器

RC 接收器 (RX) 有兩個用途。第一個是解譯來自發射器的訊號，再將該資料導向正確的通道。第二個用途是提供電軌，將電流和電壓輸送到佔用伺服通道的各種伺服機或其他週邊裝置。RX 需要穩定的 4.8 至 6 VDC 電源以執行其控制任務 (圖 1)。如果 RC 模型由硝基甲烷或燃氣發動機驅動，則只需一個鎳鎘或鎳氫電池提供電壓給接收器即可。在某些情況下，配備汽油發動機的 RC 車輛會有一個單獨用於點火系統的電池。

圖 1：RC 接收器佈局。(圖片來源：Don Johanneck)

電動驅動馬達

引進電動馬達來驅動模型就需要更大功率的電池和獨立的節流閥控制系統。馬達控制器會從 RX 取得節流閥訊號，並將其轉換成整個電池電壓範圍，為馬達提供所需的電力。為了滿足 RX 的電力需求，有些馬達控制器含有一個專屬的穩壓 5 V 輸出，專門用於 RX，這稱為去電池電路或 BEC。如此一來，系統設計人員就無需安裝兩個電池。一個用於馬達，一個用於 RX。如果控制器沒有 BEC 或其 5V 輸出無法提供足夠的電流，也可以安裝獨立的 BEC 直接連接到電池。

有刷或無刷馬達？

RC 飛機推進系統使用有刷 DC 馬達的歷史不長，很快就被無刷 DC 馬達 (BLDC) 所取代。馬達控制器稱為電子速度控制器或 ESC。ESC 會依據輸出功率及其處理各種 鋰聚合物 (LiPo) 電池的能力來判定額定值，而 LiPo 電池也因具有大容量，因此搶佔 RC 電池市場。如之前所述，大多數 ESC 都有 BEC，但有些沒有。BEC 一詞通常是指效率低落且發熱的線性穩壓電路。uBEC 應運而生，這是一種更高效率的切換式穩壓器。

圖 2：RC 電源和控制系統。(圖片來源：Don Johanneck)

有刷馬達則僅依據輸入電壓和電流消耗量決定額定值，而較常用的無刷馬達則以 Kv 決定額定值，基本上就是每伏特 RPM。如果您的無刷馬達的額定值為850 Kv，就表示每施加一伏特電壓會旋轉 850 rpm。4S LiPo 電池可提供約 14.8 V 電壓，可在最大電池電流且馬達輸出軸空載的情況下，讓 850 Kv 馬達以 12,580 rpm 的速度旋轉。ESC 會調節電壓以提供全方位的 RPM 控制，並控制力道與發射器 (TX) 的節流閥控制位置成正比。

判定無刷馬達的潛在電流消耗需要一些模糊的數學運算。將馬達的重量 (以公克為單位) 乘以 3.5 倍，即可算出大概的最大瓦數。假設 850 Kv 馬達的重量為 174 g。該馬達可能會消耗大約 600 W 的功率。由於瓦數是電壓和電流的乘積，因此將瓦數除以施加的電壓，就可得到大概的電流消耗，在全速 RPM 時約為 41 A。

通常，RC 操作人員不會在飛行或操駕期間全速操作，但如果全速操作，6500 mAh 電池組可能能讓 850 Kv 馬達滿載運作約 9.5 分鐘 (6500 mAh/41000 mA = 0.1585 小時)。

LiPo 電池

鋰聚合物、LiPoly 或 LiPo 都是指同一種高輸出電池。挑選時可依據 ESC 可以管理的項目和馬達的要求來選擇。幸好，絕大多數 LiPo 電池會在電池標籤上提供此資訊，分別會呈現電芯數量、安培小時額定值和放電率。額定電壓與電芯數量直接相關。由於每個 LiPo 電芯的標稱電壓為 3.7 V，因此「S」或串聯值與電池組中串聯的電池芯數量有關。2S 電池組為 7.4 V，3S 為 11.1 V，依此類推。安培小時額定值可用於確定電池組在已知電流消耗下可以供應電流多久的時間。DigiKey 有一個實用的工具，可以依據電流消耗計算電池續航力 (圖 3)。

圖 3：預計飛行時間 - DigiKey 電池續航力計算器。(圖片來源：DigiKey)

額定值「C」表示電池組在不導致電池受損的前提下可行的最大電流消耗量。只需將「C」額定值乘以容量 (單位為安培) 即可。一個 15C、3200 mAh 電池組可提供 48 A 的最大消耗量。額定值「C」在判定充電率時也很有用 (圖 4)。要正確為 LiPo 電池充電需遵守紀律，以免電池受損或因電池過度充電或電池實體受損而引發火災。務必使用充電速率可調整，且帶有平衡式引線連接器的充電器，且可行時，採用感測器來監測電池組溫度。若電池組「膨脹」或明顯受損，則應妥善棄置，以免在充電過程中燃燒或爆炸。常見的做法是挑選 1C 充電率，其是將 mAh 額定值轉換成安培來計算，並以該速率充電。前面提到的 3200 mAh 電池組，其最大充電電流為 3.2 A (1C)。平衡式引線可確保電池組均勻充電，並可讓使用者使用直接連接到平衡引線的特殊儀表來監測每個電池芯。

圖 4：預估充電時間 - DigiKey 電池續航力計算器。(圖片來源：DigiKey)

小心別讓電池組放電到每電池芯 3.7 V 以下。持續放電至低於此位準，會導致電池續航力縮短並減少容量。

若因過度充電或實體破壞導致電池組嚴重受損，可能會讓防護封裝爆開，此情況稱為「塔可餅」，因為看起來就像玉米餅的外層。若電池組看起來已呈現塔可餅狀，請勿嘗試充電，並請小心處理。在這此狀態下，電池並不穩定且無法預測後果。為了安全起見，當 LiPo 電池組無法使用時，必須進行中和並回收。

結論

RC 電源系統可以簡單又便宜，也可能高達到數百美元。無論是哪種，適當的互連和x勤勞地監測電池都有助於延長電力系統的壽命。電力系統維持多年甚至數十年都是很常見的。妥善保養的電池可以使用好幾季，但因為 RC 車輛持續快速放電，通常就要更換電池，但你也正享受其中的樂趣呢！