微小型多旋翼無(wú)人機(jī)用鋰電池矩陣系統(tǒng)研究

劉成堯 沈泉涌 胡文明

摘?要：目前商用微小型多旋翼無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用在測(cè)繪、農(nóng)業(yè)、安防、物流等領(lǐng)域，這類(lèi)無(wú)人機(jī)主要采用鋰電池作為動(dòng)力，其電池系統(tǒng)由多片電池串并聯(lián)構(gòu)成。由于電池系統(tǒng)內(nèi)單體電池間連接固定，且無(wú)電池冗余備份機(jī)制，單體電池的不一致性會(huì)影響電池系統(tǒng)整體工作可靠性和使用壽命。為此，設(shè)計(jì)了基于通用鋰電池的電池矩陣及管理系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)力需求，基于電池狀態(tài)參數(shù)篩選電池組性能一致性，通過(guò)電池矩陣路徑動(dòng)態(tài)構(gòu)建串并聯(lián)電池組。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電池矩陣及管理系統(tǒng)通過(guò)篩選電池特征參數(shù)，構(gòu)建一致性電池組并提供冗余電能供給，有效改善電池系統(tǒng)工作可靠性。該電池矩陣系統(tǒng)為無(wú)人機(jī)電池管理研究提供了新的思路和方案。

關(guān)鍵詞：多旋翼無(wú)人機(jī);鋰離子電池;電池矩陣;電池管理系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM?91??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research?on?lithiumion?battery?matrix?system?for?micro?multirotor?UAV

Liu?Chengyao1?Shen?Quanyong1?Hu?Wenming2

1.school?of?Electrical?and?Electronic?Engineering，Zhejiang?Polytechnic?College?ZhejiangShaoxing?312000;

2.Zhejiang?WeiBu?Robot?Co.Ltd.，?ZhejiangHuzhou?310004

Abstract：Commercial?micro?multirotor?UAVs?are?widely?used?in?surveying?and?mapping，?agriculture，security，logistics?and?other?fields.This?kind?of?UAV?mainly?uses?lithiumion?battery?as?power?system?which?is?composed?of?multiple?batteries?in?series?and?parallel.The?inconsistency?of?batteries?will?affect?the?power?system?reliability?and?service?life?due?to?the?fixed?connection?construction?of?batteries?in?power?system?and?no?redundant?backup?battery.The?article?prompts?a?new?design?of?the?battery?matrix?and?management?system?based?on?general?lithium?battery.According?to?the?realtime?power?demand?of?UAV，the?system?selects?the?performance?consistency?of?battery?packs?based?on?the?battery?state?parameters?to?construct?the?series?parallel?battery?system?through?the?battery?matrix?path.By?experiment，this?battery?matrix?and?management?system?can?effectively?improve?the?reliability?of?the?battery?system?by?selecting?the?characteristic?parameters?of?the?battery，building?a?consistent?battery?pack?and?providing?redundant?power?supply.The?design?provides?a?new?idea?for?UAV?battery?management?research.

Keywords：multirotor?UAV;lithiumion?battery;battery?matrix;battery?management?system

近年來(lái)，微小型多旋翼無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、農(nóng)業(yè)、安防、物流等領(lǐng)域[1]。這類(lèi)型無(wú)人機(jī)主要使用鋰電池作為動(dòng)力，電池系統(tǒng)包括由多片單體電池構(gòu)成的電池包和電池管理模塊[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)無(wú)人機(jī)廠商采用電池包與管理模塊一體化設(shè)計(jì)，電池包的單體電池?cái)?shù)量固定，連接方式固定。在長(zhǎng)期使用時(shí)，該電池系統(tǒng)存在兩個(gè)問(wèn)題：第一，電池包的單體電池在使用過(guò)程中會(huì)存在狀態(tài)變遷差異，影響電池包的整體性能;第二，電池包的單體電池間結(jié)構(gòu)固定，不能進(jìn)行組合切換，沒(méi)有冗余備份余量。上述兩個(gè)問(wèn)題會(huì)影響飛行續(xù)航能力及動(dòng)力輸出能力。為了解決上述問(wèn)題，需要改進(jìn)無(wú)人機(jī)電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及提高對(duì)電池的管理能力。本文提出一種新型微小型多旋翼無(wú)人機(jī)用的鋰電池矩陣及其電池管理系統(tǒng)。電池矩陣中的每節(jié)單體電池配置PMOS切換開(kāi)關(guān)和狀態(tài)采樣電路，任何一節(jié)單體電池可以受控接入電池系統(tǒng)組建成串并聯(lián)混合電池包。電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)單體電池的電壓、電流以及SOC、SOH狀態(tài)，根據(jù)電池狀態(tài)一致性篩選機(jī)制[3][4]，確保電池包運(yùn)行期間電池性能穩(wěn)定。通過(guò)18650圓柱鋰電池構(gòu)建7.4V、25C電池矩陣進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了電池矩陣及管理系統(tǒng)的可行性和有效性。

1?電池矩陣系統(tǒng)模型

微小型無(wú)人機(jī)飛行期間的動(dòng)力輸出要求較高，往往采用大電流輸出型鋰電池。為了滿(mǎn)足飛行動(dòng)力和續(xù)航需求，構(gòu)建如圖1所示的電池矩陣系統(tǒng)。圖1的電池矩陣系統(tǒng)由多節(jié)單體電池、切換開(kāi)關(guān)以及總線組成。

通過(guò)切換開(kāi)關(guān)及N1、N2總線（或者多路總線）連接，可實(shí)現(xiàn)多種電池串并聯(lián)組合模式，包括：電池Bx斷開(kāi)模式，并聯(lián)電池組模式，串并聯(lián)電池組模式，如圖2所示。

圖2展示了電池矩陣構(gòu)成的多種電池組合形式，該矩陣可用于圓柱18650鋰電池組。在考慮微小型多旋翼無(wú)人機(jī)電池系統(tǒng)能量/重量比基礎(chǔ)上，提供電池靈活組合及電量冗余備份。圖2a、圖2b采用5節(jié)單體電池構(gòu)成電池矩陣，圖2c采用兩個(gè)5節(jié)單體電池構(gòu)成電池矩陣。圖2a矩陣通過(guò)S切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)B1、B2、B3并聯(lián)，B4、B5斷開(kāi)（可提供電量冗余備份）。圖2b矩陣通過(guò)短路N1、N2總線以及S切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)單體電池2并2串的混合模式，提供2Vbattery電壓輸出，保留一節(jié)單體電池備用。圖2c矩陣通過(guò)兩個(gè)子矩陣連接實(shí)現(xiàn)單體電池2并4串的混合模式，提供4Vbattery電壓及2個(gè)單體電池備用。

1.1?電池電路模塊設(shè)計(jì)

電池矩陣系統(tǒng)對(duì)電池組內(nèi)每一節(jié)電池獨(dú)立管理，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)S以及電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)控制。圖3是電池切換開(kāi)關(guān)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路模塊。

每節(jié)電池包括4路PMOS管構(gòu)成的切換開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制VGSx（x=1…4）實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)切換。PMOS管選型應(yīng)注意VGS（th）、Rds（on）以及Vds、VGS參數(shù)選擇。由于單節(jié)電池電壓在3.7V4.2V之間，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇較低VGS（th）的增強(qiáng)型PMOS管。在采取級(jí)聯(lián)串并聯(lián)混合的電池組合模式中（如圖2c），需要設(shè)計(jì)PMOS管高邊驅(qū)動(dòng)。圖3中儀用放大器實(shí)現(xiàn)電池電流及電壓采樣。

1.2?電池矩陣控制方法

根據(jù)圖1所示電池矩陣結(jié)構(gòu)，構(gòu)建矩陣控制算法函數(shù)F（Matrix，Bswitch，Bstate），函數(shù)有三個(gè)控制元素：矩陣控制元素Matrix、電池切換開(kāi)關(guān)元素Bswitch和電池狀態(tài)參數(shù)Bstate，其中：

表1中根據(jù)電池SOC、SOH分別將電池分成四個(gè)等級(jí)，電池管理系統(tǒng)依據(jù)這些類(lèi)型進(jìn)行一致性篩選，以達(dá)到電池組性能一致。在進(jìn)行篩選時(shí)，SOH等級(jí)優(yōu)先級(jí)高于SOC，Bstate元素優(yōu)先級(jí)高于Bswitch與Matrix元素。

矩陣控制函數(shù)流程如圖4所示。系統(tǒng)設(shè)置矩陣輸出電壓和最大電流，采集電池狀態(tài)參數(shù)，依據(jù)電池一致性篩選規(guī)則設(shè)置電池矩陣工作模式。在工作期間，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)并進(jìn)行有效調(diào)整。矩陣控制函數(shù)執(zhí)行由電池管理系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，電池一致性規(guī)則設(shè)計(jì)及執(zhí)行由電池管理系統(tǒng)完成。

2?電池矩陣管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)（BMS）完成對(duì)電池矩陣的管理、控制和電池一致性算法實(shí)施。系統(tǒng)框架如圖5所示，包括通信接口、顯示模塊、數(shù)據(jù)讀取、控制輸出以及一致性算法模塊。數(shù)據(jù)讀取模塊獲取矩陣的各單體電池電壓電流以及矩陣輸出電壓與電流，控制輸出模塊設(shè)置矩陣的切換開(kāi)關(guān)和總線連接方式。

電池管理系統(tǒng)中電池一致性篩選算法是管理系統(tǒng)的關(guān)鍵。結(jié)合學(xué)者王帥[5]、安富強(qiáng)[6]在鋰電池一致性的研究成果，針對(duì)合微小型多旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)行工況特征，制定電池一致性判斷規(guī)則：以SOC消耗均衡為目標(biāo)，根據(jù)SOH狀態(tài)選擇備選電池，在低電流工況下執(zhí)行電池輪換調(diào)度。電池一致性篩選及調(diào)度的結(jié)果影響電池是否接入電池組進(jìn)行放電，每節(jié)電池調(diào)度算法用公式表示如下：

其中：SOH=1、2、3，電池可進(jìn)入調(diào)度備選，SOH=4，電池?cái)嚅_(kāi);參數(shù)V、I確定電池矩陣滿(mǎn)負(fù)荷工作下電池串并結(jié)構(gòu);參數(shù)σSOC表示接入矩陣的電池組SOC標(biāo)準(zhǔn)差。系統(tǒng)根據(jù)SOH及SOC等級(jí)確定調(diào)度優(yōu)先級(jí)：在低負(fù)載工況時(shí)段，受σSOC約束，高SOH、SOC等級(jí)電池高頻調(diào)度，低SOH、SOC等級(jí)低頻調(diào)度。通過(guò)一致性篩選及調(diào)度策略，確保電池矩陣σSOC值逐步減小，電池組狀態(tài)趨于一致。

3?模型驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證電池矩陣方案的可行性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：選擇一組13節(jié)18650圓柱鋰電池，經(jīng)過(guò)多次充放電使用后，使各單體電池的SOC值不同（如圖7所示“運(yùn)行前SOC”）。將該組電池裝入電池矩陣，采用滿(mǎn)負(fù)荷下5并2串3備份結(jié)構(gòu)（如圖6所示），構(gòu)建7.4V輸出電壓電池組，按照無(wú)人機(jī)飛行工況進(jìn)行放電測(cè)試，分別記錄10分鐘、15分鐘飛行電池SOC參數(shù)。圖7可以看出，經(jīng)過(guò)電池一致性篩選，電池矩陣的單體電池10分鐘與15分鐘的SOC狀態(tài)趨于一致，較好保證了電池組的工作穩(wěn)定性。

4?結(jié)論

為了提高微小型多旋翼無(wú)人機(jī)鋰電池模塊的可靠性和動(dòng)力，本文設(shè)計(jì)了一種電池矩陣以及管理系統(tǒng)，圍繞該電池矩陣提出電池一致性控制方案。本設(shè)計(jì)方案改變傳統(tǒng)電池組固定連接方式，采取動(dòng)態(tài)調(diào)整電池連接，有效降低了單體電池間差異對(duì)電池組的整體性能影響。本設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到預(yù)期要求。

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基金項(xiàng)目：2019年度高等學(xué)校國(guó)內(nèi)訪問(wèn)工程師“校企合作項(xiàng)目”（FG2019140）;2020年浙江省全創(chuàng)改革新型產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化）;2020年浙江省教育廳科研項(xiàng)目（Y202045158）

作者簡(jiǎn)介：劉成堯（1980—?），男，安徽人，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡姵毓芾硐到y(tǒng);沈泉涌（1981—?），男，浙江人，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù);胡文明（1981—?），男，河南人，本科，研究方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)。