微小型多旋翼無人機用鋰電池矩陣系統研究

劉成堯 沈泉涌 胡文明

摘?要：目前商用微小型多旋翼無人機廣泛應用在測繪、農業、安防、物流等領域，這類無人機主要采用鋰電池作為動力，其電池系統由多片電池串并聯構成。由于電池系統內單體電池間連接固定，且無電池冗余備份機制，單體電池的不一致性會影響電池系統整體工作可靠性和使用壽命。為此，設計了基于通用鋰電池的電池矩陣及管理系統。系統根據無人機實時動力需求，基于電池狀態參數篩選電池組性能一致性，通過電池矩陣路徑動態構建串并聯電池組。實驗驗證，電池矩陣及管理系統通過篩選電池特征參數，構建一致性電池組并提供冗余電能供給，有效改善電池系統工作可靠性。該電池矩陣系統為無人機電池管理研究提供了新的思路和方案。

關鍵詞：多旋翼無人機;鋰離子電池;電池矩陣;電池管理系統

中圖分類號：TM?91??文獻標識碼：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，微小型多旋翼無人機廣泛應用于測繪、農業、安防、物流等領域[1]。這類型無人機主要使用鋰電池作為動力，電池系統包括由多片單體電池構成的電池包和電池管理模塊[2]。在實際應用中，多數無人機廠商采用電池包與管理模塊一體化設計，電池包的單體電池數量固定，連接方式固定。在長期使用時，該電池系統存在兩個問題：第一，電池包的單體電池在使用過程中會存在狀態變遷差異，影響電池包的整體性能;第二，電池包的單體電池間結構固定，不能進行組合切換，沒有冗余備份余量。上述兩個問題會影響飛行續航能力及動力輸出能力。為了解決上述問題，需要改進無人機電池系統的設計以及提高對電池的管理能力。本文提出一種新型微小型多旋翼無人機用的鋰電池矩陣及其電池管理系統。電池矩陣中的每節單體電池配置PMOS切換開關和狀態采樣電路，任何一節單體電池可以受控接入電池系統組建成串并聯混合電池包。電池管理系統監測單體電池的電壓、電流以及SOC、SOH狀態，根據電池狀態一致性篩選機制[3][4]，確保電池包運行期間電池性能穩定。通過18650圓柱鋰電池構建7.4V、25C電池矩陣進行測試，驗證了電池矩陣及管理系統的可行性和有效性。

1?電池矩陣系統模型

微小型無人機飛行期間的動力輸出要求較高，往往采用大電流輸出型鋰電池。為了滿足飛行動力和續航需求，構建如圖1所示的電池矩陣系統。圖1的電池矩陣系統由多節單體電池、切換開關以及總線組成。

通過切換開關及N1、N2總線（或者多路總線）連接，可實現多種電池串并聯組合模式，包括：電池Bx斷開模式，并聯電池組模式，串并聯電池組模式，如圖2所示。

圖2展示了電池矩陣構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人機電池系統能量/重量比基礎上，提供電池靈活組合及電量冗余備份。圖2a、圖2b采用5節單體電池構成電池矩陣，圖2c采用兩個5節單體電池構成電池矩陣。圖2a矩陣通過S切換開關實現B1、B2、B3并聯，B4、B5斷開（可提供電量冗余備份）。圖2b矩陣通過短路N1、N2總線以及S切換開關實現單體電池2并2串的混合模式，提供2Vbattery電壓輸出，保留一節單體電池備用。圖2c矩陣通過兩個子矩陣連接實現單體電池2并4串的混合模式，提供4Vbattery電壓及2個單體電池備用。

1.1?電池電路模塊設計

電池矩陣系統對電池組內每一節電池獨立管理，通過切換開關S以及電池狀態監測實現控制。圖3是電池切換開關及狀態監測電路模塊。

每節電池包括4路PMOS管構成的切換開關，通過控制VGSx（x=1…4）實現開關切換。PMOS管選型應注意VGS（th）、Rds（on）以及Vds、VGS參數選擇。由于單節電池電壓在3.7V4.2V之間，實際設計時需要選擇較低VGS（th）的增強型PMOS管。在采取級聯串并聯混合的電池組合模式中（如圖2c），需要設計PMOS管高邊驅動。圖3中儀用放大器實現電池電流及電壓采樣。

1.2?電池矩陣控制方法

根據圖1所示電池矩陣結構，構建矩陣控制算法函數F（Matrix，Bswitch，Bstate），函數有三個控制元素：矩陣控制元素Matrix、電池切換開關元素Bswitch和電池狀態參數Bstate，其中：

表1中根據電池SOC、SOH分別將電池分成四個等級，電池管理系統依據這些類型進行一致性篩選，以達到電池組性能一致。在進行篩選時，SOH等級優先級高于SOC，Bstate元素優先級高于Bswitch與Matrix元素。

矩陣控制函數流程如圖4所示。系統設置矩陣輸出電壓和最大電流，采集電池狀態參數，依據電池一致性篩選規則設置電池矩陣工作模式。在工作期間，實時監測電池狀態并進行有效調整。矩陣控制函數執行由電池管理系統下發的控制命令，電池一致性規則設計及執行由電池管理系統完成。

2?電池矩陣管理系統設計

電池管理系統（BMS）完成對電池矩陣的管理、控制和電池一致性算法實施。系統框架如圖5所示，包括通信接口、顯示模塊、數據讀取、控制輸出以及一致性算法模塊。數據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，控制輸出模塊設置矩陣的切換開關和總線連接方式。

電池管理系統中電池一致性篩選算法是管理系統的關鍵。結合學者王帥[5]、安富強[6]在鋰電池一致性的研究成果，針對合微小型多旋翼無人機運行工況特征，制定電池一致性判斷規則：以SOC消耗均衡為目標，根據SOH狀態選擇備選電池，在低電流工況下執行電池輪換調度。電池一致性篩選及調度的結果影響電池是否接入電池組進行放電，每節電池調度算法用公式表示如下：

其中：SOH=1、2、3，電池可進入調度備選，SOH=4，電池斷開;參數V、I確定電池矩陣滿負荷工作下電池串并結構;參數σSOC表示接入矩陣的電池組SOC標準差。系統根據SOH及SOC等級確定調度優先級：在低負載工況時段，受σSOC約束，高SOH、SOC等級電池高頻調度，低SOH、SOC等級低頻調度。通過一致性篩選及調度策略，確保電池矩陣σSOC值逐步減小，電池組狀態趨于一致。

3?模型驗證及數據分析

為了驗證電池矩陣方案的可行性，設計如下實驗：選擇一組13節18650圓柱鋰電池，經過多次充放電使用后，使各單體電池的SOC值不同（如圖7所示“運行前SOC”）。將該組電池裝入電池矩陣，采用滿負荷下5并2串3備份結構（如圖6所示），構建7.4V輸出電壓電池組，按照無人機飛行工況進行放電測試，分別記錄10分鐘、15分鐘飛行電池SOC參數。圖7可以看出，經過電池一致性篩選，電池矩陣的單體電池10分鐘與15分鐘的SOC狀態趨于一致，較好保證了電池組的工作穩定性。

4?結論

為了提高微小型多旋翼無人機鋰電池模塊的可靠性和動力，本文設計了一種電池矩陣以及管理系統，圍繞該電池矩陣提出電池一致性控制方案。本設計方案改變傳統電池組固定連接方式，采取動態調整電池連接，有效降低了單體電池間差異對電池組的整體性能影響。本設計方案經過實驗測試，達到預期要求。

參考文獻：

[1]譚民，王碩.機器人技術研究進展[J].自動化學報，2013，39（07）：963972.

[2]陳宗基，張汝麟，張平，周銳.飛行器控制面臨的機遇與挑戰[J].自動化學報，2013，39（06）：703710.

[3]戴海峰，王楠，魏學哲，孫澤昌，王佳元.車用動力鋰離子電池單體不一致性問題研究綜述[J].汽車工程，2014，36（02）：181188+203.

[4]王震坡，孫逢春，林程.不一致性對動力電池組使用壽命影響的分析[J].北京理工大學學報，2006（07）：577580.

[5]王帥，尹忠東，鄭重，鄒涵宇，王銀順.電池模組一致性影響因素在放電電壓曲線簇上的表征[J].電工技術學報，2020，35（08）：18361847.

[6]安富強，趙建源，陳璐凡，黃俊，李平.純電動車用18650電池的一致性研究[J].工程科學學報，2017，39（01）：107114.

基金項目：2019年度高等學校國內訪問工程師“校企合作項目”（FG2019140）;2020年浙江省全創改革新型產學研合作項目（無人機動力系統關鍵技術攻關及產業化）;2020年浙江省教育廳科研項目（Y202045158）

作者簡介：劉成堯（1980—?），男，安徽人，碩士，副教授，研究方向為電池管理系統;沈泉涌（1981—?），男，浙江人，碩士，副教授，研究方向為電子技術;胡文明（1981—?），男，河南人，本科，研究方向為無人機開發。