微小型多旋翼无人机用锂电池矩阵系统研究

刘成尧 沈泉涌 胡文明

摘 要：目前商用微小型多旋翼無人机广泛应用在测绘、农业、安防、物流等领域，这类无人机主要采用锂电池作为动力，其电池系统由多片电池串并联构成。由于电池系统内单体电池间连接固定，且无电池冗余备份机制，单体电池的不一致性会影响电池系统整体工作可靠性和使用寿命。为此，设计了基于通用锂电池的电池矩阵及管理系统。系统根据无人机实时动力需求，基于电池状态参数筛选电池组性能一致性，通过电池矩阵路径动态构建串并联电池组。实验验证，电池矩阵及管理系统通过筛选电池特征参数，构建一致性电池组并提供冗余电能供给，有效改善电池系统工作可靠性。该电池矩阵系统为无人机电池管理研究提供了新的思路和方案。

关键词：多旋翼无人机;锂离子电池;电池矩阵;电池管理系统

中图分类号：TM 91  文献标识码：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

近年来，微小型多旋翼无人机广泛应用于测绘、农业、安防、物流等领域[1]。这类型无人机主要使用锂电池作为动力，电池系统包括由多片单体电池构成的电池包和电池管理模块[2]。在实际应用中，多数无人机厂商采用电池包与管理模块一体化设计，电池包的单体电池数量固定，连接方式固定。在长期使用时，该电池系统存在两个问题：第一，电池包的单体电池在使用过程中会存在状态变迁差异，影响电池包的整体性能;第二，电池包的单体电池间结构固定，不能进行组合切换，没有冗余备份余量。上述两个问题会影响飞行续航能力及动力输出能力。为了解决上述问题，需要改进无人机电池系统的设计以及提高对电池的管理能力。本文提出一种新型微小型多旋翼无人机用的锂电池矩阵及其电池管理系统。电池矩阵中的每节单体电池配置PMOS切换开关和状态采样电路，任何一节单体电池可以受控接入电池系统组建成串并联混合电池包。电池管理系统监测单体电池的电压、电流以及SOC、SOH状态，根据电池状态一致性筛选机制[3][4]，确保电池包运行期间电池性能稳定。通过18650圆柱锂电池构建7.4V、25C电池矩阵进行测试，验证了电池矩阵及管理系统的可行性和有效性。

1 电池矩阵系统模型

微小型无人机飞行期间的动力输出要求较高，往往采用大电流输出型锂电池。为了满足飞行动力和续航需求，构建如图1所示的电池矩阵系统。图1的电池矩阵系统由多节单体电池、切换开关以及总线组成。

通过切换开关及N1、N2总线（或者多路总线）连接，可实现多种电池串并联组合模式，包括：电池Bx断开模式，并联电池组模式，串并联电池组模式，如图2所示。

图2展示了电池矩阵构成的多种电池组合形式，该矩阵可用于圆柱18650锂电池组。在考虑微小型多旋翼无人机电池系统能量/重量比基础上，提供电池灵活组合及电量冗余备份。图2a、图2b采用5节单体电池构成电池矩阵，图2c采用两个5节单体电池构成电池矩阵。图2a矩阵通过S切换开關实现B1、B2、B3并联，B4、B5断开（可提供电量冗余备份）。图2b矩阵通过短路N1、N2总线以及S切换开关实现单体电池2并2串的混合模式，提供2Vbattery电压输出，保留一节单体电池备用。图2c矩阵通过两个子矩阵连接实现单体电池2并4串的混合模式，提供4Vbattery电压及2个单体电池备用。

1.1 电池电路模块设计

电池矩阵系统对电池组内每一节电池独立管理，通过切换开关S以及电池状态监测实现控制。图3是电池切换开关及状态监测电路模块。

每节电池包括4路PMOS管构成的切换开关，通过控制VGSx（x=1…4）实现开关切换。PMOS管选型应注意VGS（th）、Rds（on）以及Vds、VGS参数选择。由于单节电池电压在3.7V4.2V之间，实际设计时需要选择较低VGS（th）的增强型PMOS管。在采取级联串并联混合的电池组合模式中（如图2c），需要设计PMOS管高边驱动。图3中仪用放大器实现电池电流及电压采样。

1.2 电池矩阵控制方法

根据图1所示电池矩阵结构，构建矩阵控制算法函数F（Matrix，Bswitch，Bstate），函数有三个控制元素：矩阵控制元素Matrix、电池切换开关元素Bswitch和电池状态参数Bstate，其中：

表1中根据电池SOC、SOH分别将电池分成四个等级，电池管理系统依据这些类型进行一致性筛选，以达到电池组性能一致。在进行筛选时，SOH等级优先级高于SOC，Bstate元素优先级高于Bswitch与Matrix元素。

矩阵控制函数流程如图4所示。系统设置矩阵输出电压和最大电流，采集电池状态参数，依据电池一致性筛选规则设置电池矩阵工作模式。在工作期间，实时监测电池状态并进行有效调整。矩阵控制函数执行由电池管理系统下发的控制命令，电池一致性规则设计及执行由电池管理系统完成。

2 电池矩阵管理系统设计

电池管理系统（BMS）完成对电池矩阵的管理、控制和电池一致性算法实施。系统框架如图5所示，包括通信接口、显示模块、数据读取、控制输出以及一致性算法模块。数据读取模块获取矩阵的各单体电池电压电流以及矩阵输出电压与电流，控制输出模块设置矩阵的切换开关和总线连接方式。

电池管理系统中电池一致性筛选算法是管理系统的关键。结合学者王帅[5]、安富强[6]在锂电池一致性的研究成果，针对合微小型多旋翼无人机运行工况特征，制定电池一致性判断规则：以SOC消耗均衡为目标，根据SOH状态选择备选电池，在低电流工况下执行电池轮换调度。电池一致性筛选及调度的结果影响电池是否接入电池组进行放电，每节电池调度算法用公式表示如下：

其中：SOH=1、2、3，电池可进入调度备选，SOH=4，电池断开;参数V、I确定电池矩阵满负荷工作下电池串并结构;参数σSOC表示接入矩阵的电池组SOC标准差。系统根据SOH及SOC等级确定调度优先级：在低负载工况时段，受σSOC约束，高SOH、SOC等级电池高频调度，低SOH、SOC等级低频调度。通过一致性筛选及调度策略，确保电池矩阵σSOC值逐步减小，电池组状态趋于一致。

3 模型验证及数据分析

为了验证电池矩阵方案的可行性，设计如下实验：选择一组13节18650圆柱锂电池，经过多次充放电使用后，使各单体电池的SOC值不同（如图7所示“运行前SOC”）。将该组电池装入电池矩阵，采用满负荷下5并2串3备份结构（如图6所示），构建7.4V输出电压电池组，按照无人机飞行工况进行放电测试，分别记录10分钟、15分钟飞行电池SOC参数。图7可以看出，经过电池一致性筛选，电池矩阵的单体电池10分钟与15分钟的SOC状态趋于一致，较好保证了电池组的工作稳定性。

4 結论

为了提高微小型多旋翼无人机锂电池模块的可靠性和动力，本文设计了一种电池矩阵以及管理系统，围绕该电池矩阵提出电池一致性控制方案。本设计方案改变传统电池组固定连接方式，采取动态调整电池连接，有效降低了单体电池间差异对电池组的整体性能影响。本设计方案经过实验测试，达到预期要求。

参考文献：

[1]谭民，王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报，2013，39（07）：963972.

[2]陈宗基，张汝麟，张平，周锐.飞行器控制面临的机遇与挑战[J].自动化学报，2013，39（06）：703710.

[3]戴海峰，王楠，魏学哲，孙泽昌，王佳元.车用动力锂离子电池单体不一致性问题研究综述[J].汽车工程，2014，36（02）：181188+203.

[4]王震坡，孙逢春，林程.不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析[J].北京理工大学学报，2006（07）：577580.

[5]王帅，尹忠东，郑重，邹涵宇，王银顺.电池模组一致性影响因素在放电电压曲线簇上的表征[J].电工技术学报，2020，35（08）：18361847.

[6]安富强，赵建源，陈璐凡，黄俊，李平.纯电动车用18650电池的一致性研究[J].工程科学学报，2017，39（01）：107114.

基金项目：2019年度高等学校国内访问工程师“校企合作项目”（FG2019140）;2020年浙江省全创改革新型产学研合作项目（无人机动力系统关键技术攻关及产业化）;2020年浙江省教育厅科研项目（Y202045158）

作者简介：刘成尧（1980— ），男，安徽人，硕士，副教授，研究方向为电池管理系统;沈泉涌（1981— ），男，浙江人，硕士，副教授，研究方向为电子技术;胡文明（1981— ），男，河南人，本科，研究方向为无人机开发。