無人機(jī)充電倉多塊鋰電池充電策略的研究*

史志勤 ，張智豪 ，凌 凱 ，楊張鑫 ，丁 菊 ，潘麗平 ，湯 婁

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226001）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的迅速增長，對能源的需求量越來越大，能源消耗大幅增加，傳統(tǒng)能源資源日益減少，已經(jīng)不能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要[1-3]。在荷蘭、德國等許多國家，太陽能已成為商業(yè)化程度最高、利用最廣泛的可再生能源之一，光伏無人機(jī)的研究也應(yīng)運而生[4]。光伏無人機(jī)結(jié)合了光伏和無人機(jī)技術(shù)，因其可以在大氣較稀薄、光照充足的高空區(qū)域進(jìn)行太陽能發(fā)電，所以相較其他發(fā)電方式，光伏無人機(jī)的發(fā)電效率更高[5]。傳統(tǒng)無人機(jī)電源以鎘鎳電池、鋅銀電池為主，但受限于質(zhì)量、體積、壽命等需求，其逐步被鋰離子電池、燃料電池、鋰硫電池、鋰空電池、太陽能電池或蓄電池和太陽能混用所替代，受此限制，本文對光伏無人機(jī)智能充電站內(nèi)無人機(jī)的鋰電池充電控制進(jìn)行具體的研究。

在電動無人機(jī)中，鋰離子電池為電動無人機(jī)提供飛行動力，決定著電動無人機(jī)能否飛行和飛行時間的長短。對鋰離子電池的特性、能量密度和鋰離子電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究，對電動無人機(jī)以及整個電動航空發(fā)展都非常重要，決定著電動無人機(jī)未來能否快速發(fā)展。例如，針對三元鋰電池，可以采用恒流-恒壓充電算法，控制充電電流和電壓的大小，避免過充和過放現(xiàn)象[6-7]，從而延長電池壽命。因此，本文選用了TB60無人機(jī)電池進(jìn)行充電的仿真模擬，研究無人機(jī)鋰電池充電控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。

1 電池充電總體方案設(shè)計

充電站內(nèi)會存在多個無人機(jī)鋰電池需要同時進(jìn)行充電的情況，為此本文設(shè)計了在多個電池中選擇對電量最大的電池先行充電的充電策略。先為電量最大的電池充電可以提高無人機(jī)鋰電池的充電效率，減小對無人機(jī)鋰電池的損耗，縮短充電時間[8]。

1.1 充電電池選擇邏輯

由于在整個充電過程中，涉及三個電池的充電過程。本文通過檢測電路來判斷鋰電池和電源輸入部分的電壓，控制BUCK電路降壓進(jìn)行充電，充電過程中進(jìn)一步判斷鋰電池工作狀態(tài)。三個電池的充電策略流程圖如圖1所示。

圖1 電池充電控制流程圖

由圖1可以看出，該邏輯是將三塊電池的電量依次比較，得出三塊電池中電量最高的電池，然后判斷該電池的溫度是否符合充電要求的安全溫度，如若符合，系統(tǒng)將自動對其進(jìn)行充電。

1.2 單塊電池充電策略

為了保證無人機(jī)鋰電池在充電的過程中不受損壞，本文采用三段式充電法，三段式充電流程如圖2所示。圖2所示流程開始時先檢測充電電池的端電壓是否低于放電截止電壓，如果低于截止電壓，則進(jìn)入涓流充電模式；若高于截止電壓，則進(jìn)入恒流充電模式。當(dāng)電池電量達(dá)到95%時，系統(tǒng)自動進(jìn)入恒壓充電模式；當(dāng)充電電流低于充電最低電流閾值時，系統(tǒng)自動切斷電源，停止充電。

圖2 三段式充電流程圖

2 電池充電邏輯仿真

2.1 充電電池選擇仿真

為了實現(xiàn)圖1所示選擇電池進(jìn)行充電的功能，本文仿真設(shè)計了一種邏輯選擇電路。仿真電路如圖3所示。

圖3 電池選擇仿真電路圖

由圖3可以看出，該邏輯是將一塊電池的電量依次與另外兩塊電池的電量相比較，如若可以得出該電池電量最高，則判斷停止；如若該電池電量非最高，則以同樣的辦法繼續(xù)比較。若三塊電池中有電量相同的情況，則以電池1優(yōu)先級最高，電池2優(yōu)先級其次，電池3優(yōu)先級最低進(jìn)行充電。判斷出電量最高的電池后，系統(tǒng)將對該電池對應(yīng)的充電晶體管發(fā)出觸發(fā)脈沖，晶體管導(dǎo)通構(gòu)成充電回路，達(dá)成充電的目的。

例如，將電池1的初始電量設(shè)置為50%，電池2的初始電量設(shè)為30%，電池3的初始電量設(shè)為10%，仿真時間設(shè)置為20 s。電池1的充電量增大，電池2和電池3的充電量基本保持不變。電量變化仿真圖如圖4所示。

圖4 電量變化仿真圖

由三塊電池電量的變化可以看出，只有電池1的電量發(fā)生了明顯的變化，其余電池并沒有進(jìn)行充電，由此證明該仿真邏輯符合預(yù)期。

2.2 單電池充電邏輯仿真

由于本方案采用兩塊60 V蓄電池作為電源為無人機(jī)鋰電池充電，為了使充電電壓符合鋰電池充電需要的電壓，本次仿真采用一個BUCK降壓電路對電源電壓進(jìn)行降壓，并對鋰電池兩邊的電壓進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果對電路產(chǎn)生負(fù)反饋，實現(xiàn)充電控制。完整仿真邏輯如圖5所示。

圖5 單塊電池仿真邏輯圖

本次仿真將電池容量等比縮小10倍（0.593 5 Ah），這樣既不會改變原有的充電曲線，同時也減少了仿真需要的時間。將電池初始電量（SOC）設(shè)置為0，就可以得到完整的充電波形[9]。

電壓環(huán)PID控制器輸出的是電流的給定值，為了實現(xiàn)三階段充電，采用了兩個PID控制器[10]，利用電池端電壓是否大于放電截止電壓46.992 V（容量*0.89）來對兩個不同線幅值的PID控制器進(jìn)行切換，如圖6所示。

圖6 充電模式控制電路圖

由于初始電量設(shè)置為0，電池將直接進(jìn)入涓流充電，涓流充電階段電路仿真波形圖如圖7所示。由圖7可以看出，電池剛進(jìn)入充電時電量為0，系統(tǒng)將充電電流控制在0.296 75 A進(jìn)行充電，而電池兩端電壓緩慢上升。

圖7 涓流條件下電路仿真波形圖

當(dāng)電池兩端電壓大于放電截止電壓時，將自動進(jìn)入恒流充電模式。恒流充電階段電路仿真波形圖如圖8所示。恒流階段充電電流設(shè)置為2.967 5 A（容量*0.5）。該模式為整個充電過程中時間占比最長的階段，在該階段，電池兩端的電壓逐步升高，而充電電流保持不變。

圖8 恒流條件下電路仿真波形圖

恒流充電一段時間后，電池電量達(dá)到95%，充電系統(tǒng)自動進(jìn)入恒壓充電模式。恒壓充電階段電路仿真波形圖如圖9所示。

圖9 恒壓條件下電路仿真波形圖

隨著恒壓充電的進(jìn)行，電池兩端電流逐步下降，降至預(yù)設(shè)值0.296 75 A時，系統(tǒng)自動停止對鋰電池充電，避免電池過放過沖。自動斷電仿真波形圖如圖10所示。

圖10 自動斷電仿真波形圖

至此，單塊電池經(jīng)過涓流充電、恒流充電、恒壓充電和自動斷電后，電池電量達(dá)到99.8%左右，可以滿足用戶對電池電量的需求，整個充電邏輯結(jié)束。

3 總結(jié)

本文研究的充電倉多電池選擇充電策略，通過檢測電路來獲取三塊鋰電池的電壓并進(jìn)行比較，控制觸發(fā)脈沖導(dǎo)通電量最高的電池對應(yīng)的充電回路通斷晶體管，實現(xiàn)優(yōu)先對高電量電池進(jìn)行充電的目的。該設(shè)計滿足了用戶對于無人機(jī)電池快速充電的實際需求，實現(xiàn)了對硬件的高效利用。對單塊鋰電池進(jìn)行恒流、恒壓及涓流的三段式充電的設(shè)計，降低了充電對鋰電池的損耗，大大延長了無人機(jī)鋰電池的使用壽命。