無人機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

（南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226001）

0 引言

隨著中國經濟的快速發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，傳統能源資源日益減少，已經不能滿足國民經濟發展的需要[1-3]。在荷蘭、德國等許多國家，太陽能已成為商業化程度最高、利用最廣泛的可再生能源之一，光伏無人機的研究也應運而生[4]。光伏無人機結合了光伏和無人機技術，因其可以在大氣較稀薄、光照充足的高空區域進行太陽能發電，所以相較其他發電方式，光伏無人機的發電效率更高[5]。傳統無人機電源以鎘鎳電池、鋅銀電池為主，但受限于質量、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，本文對光伏無人機智能充電站內無人機的鋰電池充電控制進行具體的研究。

在電動無人機中，鋰離子電池為電動無人機提供飛行動力，決定著電動無人機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結構優化設計進行研究，對電動無人機以及整個電動航空發展都非常重要，決定著電動無人機未來能否快速發展。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，避免過充和過放現象[6-7]，從而延長電池壽命。因此，本文選用了TB60無人機電池進行充電的仿真模擬，研究無人機鋰電池充電控制系統的硬件和軟件設計。

1 電池充電總體方案設計

充電站內會存在多個無人機鋰電池需要同時進行充電的情況，為此本文設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鋰電池的充電效率，減小對無人機鋰電池的損耗，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電路降壓進行充電，充電過程中進一步判斷鋰電池工作狀態。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，系統將自動對其進行充電。

1.2 單塊電池充電策略

為了保證無人機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，則進入涓流充電模式；若高于截止電壓，則進入恒流充電模式。當電池電量達到95%時，系統自動進入恒壓充電模式；當充電電流低于充電最低電流閾值時，系統自動切斷電源，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

為了實現圖1所示選擇電池進行充電的功能，本文仿真設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比較。若三塊電池中有電量相同的情況，則以電池1優先級最高，電池2優先級其次，電池3優先級最低進行充電。判斷出電量最高的電池后，系統將對該電池對應的充電晶體管發出觸發脈沖，晶體管導通構成充電回路，達成充電的目的。

例如，將電池1的初始電量設置為50%，電池2的初始電量設為30%，電池3的初始電量設為10%，仿真時間設置為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的電量發生了明顯的變化，其余電池并沒有進行充電，由此證明該仿真邏輯符合預期。

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行降壓，并對鋰電池兩邊的電壓進行采樣，采樣結果對電路產生負反饋，實現充電控制。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）設置為0，就可以得到完整的充電波形[9]。

電壓環PID控制器輸出的是電流的給定值，為了實現三階段充電，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

由于初始電量設置為0，電池將直接進入涓流充電，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，電池剛進入充電時電量為0，系統將充電電流控制在0.296 75 A進行充電，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

當電池兩端電壓大于放電截止電壓時，將自動進入恒流充電模式。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，電池電量達到95%，充電系統自動進入恒壓充電模式。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

隨著恒壓充電的進行，電池兩端電流逐步下降，降至預設值0.296 75 A時，系統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，單塊電池經過涓流充電、恒流充電、恒壓充電和自動斷電后，電池電量達到99.8%左右，可以滿足用戶對電池電量的需求，整個充電邏輯結束。

3 總結

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行比較，控制觸發脈沖導通電量最高的電池對應的充電回路通斷晶體管，實現優先對高電量電池進行充電的目的。該設計滿足了用戶對于無人機電池快速充電的實際需求，實現了對硬件的高效利用。對單塊鋰電池進行恒流、恒壓及涓流的三段式充電的設計，降低了充電對鋰電池的損耗，大大延長了無人機鋰電池的使用壽命。