微型电动旋翼无人机电池管理系统设计与研究

发布时间：2020-08-15 20:21

【摘要】：随着国民经济高质量快速增长,传统行业与新技术的融合程度进一步深入。以微型电动旋翼无人机为代表的新技术在诸多传统行业(诸如国防、影视和物流等)中的创新性应用引领行业升级与模式转变。电池组作为微型电动旋翼无人机的唯一能量来源,其可靠性和安全性是微型电动旋翼无人机无故障运行的重要保障。电池管理系统是保证电池组长期稳定安全运行的关键设备,经历了分立型、模拟集成型和数模混合集成型三个阶段。本文设计了一款基于数模混合集成电路的微型电动旋翼无人机电池管理系统,详细阐述其工程设计方案和具体实现方法。分析了多种电池剩余电量的估算方法,对21种电池剩余电量估算方法进行对比研究,并最终选用支持向量机的电池剩余电量估算方法。采用NASA公布的电池充放电数据集,评估该估算方法的性能。首先,确定微型电动旋翼无人机电池管理系统的功能与性能指标,并完成硬件选型、算法评估和总体方案设计;其次,进行电池管理系统的硬软件设计。在硬件设计方面完成前端模拟模块、主控模块和无线通讯模块的硬件电路设计与调测。在软件设计方面完成驱动层、中间件层和应用层的软件设计与调测;最后,结合美国《USABC电动汽车电池试验手册》测试标准和微型电动旋翼无人机的飞行工况特点,设计微型电动旋翼无人机电池组测试用典型工况。搭建实际测试平台完成模拟工况实验,使用支持向量机完成在不同工况下剩余电量的估算。实际系统测试结果表明,该系统运行良好,达到设计方案各项要求。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279
【图文】：

小精灵,无人机

兵．逡逑图１．４小精灵Ｐｈａｎｔｏｍ逦图１．５极飞Ｐ３０逡逑１．２微型电动旋翼无人机ＢＭＳ关键参数研究现状逡逑近年来，国内外各大学实验室和无人机公司对微型电动旋翼无人机的ＢＭＳ进行广泛逡逑而深入的研宄。研宄内容主要就电池管理系统安全功能、优化ＳＯＣ估算精度、提高电池逡逑使用寿命等方面进行了研宄。逦ｚ逡逑１．２．１国外研究现状逡逑国外对于无人机ＢＭＳ及其关键参数研宄相对起步较早，以大学、研宄中心科研团队逡逑与无人机公司为主，提出多种高精度检测无人机电池状态与提高无人机电池使用寿命研逡逑究方案，研宄的广度与深度广泛且深刻。同时也取得了丰硕的成果。逡逑２０１１邋年，美国邋“ＮＡＳＡＬａｎｇｌｅｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ”邋研究中心的邋ＢｈａｓｋａｒＳａｈａ【８１邋等人通过逡逑基于模型的电池ＳＯＨ预估的方法研究，使得微型电动旋翼无人机在不同飞行工况下，均逡逑可通过计算获得电池ＳＯＨ的预估结果，从而延长电池使用寿命。逡逑２０１７年

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逦邋２微型电动旋翼无人机电池管理系统方案设计２微型电动旋翼无人机电池管理系统方案设计逡逑１电池管理系统总体方案设计逡逑微型电动旋翼无人机电池管理系统需要实时检测电池状态、保护电池组安全现电池数据实时传输功能。本系统设计旨在完成此类无人机的ＢＭＳ设计，搭建机电池耗能工况的实验环境，从而对系统各项功能及参数指标进行检测。系统测试案如图２．１所示。逡逑

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系统应用层由数据采集、日志管理、人机接口、数据存储、参数估计和数据通信六部逡逑分功能组成，完成系统所有功能。根据微型电动旋翼无人机ＢＭＳ硬件的模块化设计，软逡逑件程序也将采用模块化设计，如图２．２所示。逡逑Ｉ邋逦逦邋Ｉ逡逑＊逦￣数据采集￣邋￣人机接口￣￣邋＾数据存储１逡逑Ｉ逦应用层＝－＝—＾逦＼＝＝４逦Ｈ逦｜逡逑Ｉ邋＆逦日志管理逦参数估计逦数据通信逦｜逡逑Ｉ逦中间件层逦｜邋ＣＰＬＡ通讯协议逦｜邋Ｌｏｒａ通讯协议逦详见邋１逡逑Ｉ逦逦邋逦邋３．２．３邋Ｉ逡逑｜邋件逦｜逡逑Ｉ逦ｒ———＾￣Ｆ＝＝＝ｉ￣ｐ＝＝＝ｉ逦Ｉ邋Ｉ逡逑｜逦驱动层逦前端模拟逦ＢＭＳ主控逦数据传输逦详见丨逡逑Ｉ逦丨．逦——Ｉ逦Ｉ邋■逦」邋Ｉ邋．逦３．２．２逦｜逡逑Ｉ邋逦逦邋－逦￣￣逦—逦－逦－逦逦逦邋Ｉ逡逑！邋Ｓ邋硬件层邋｜前端模块逦｜主控模块邋｜通讯模块逦详见｜逡逑｜什逦丨逦」逦邋１１逦３．１逦－逡逑图２．２电池管理系统总体方案设计框图逡逑２．邋１．邋１前端模拟模块选型与设计逡逑前端模拟主要是以选择合适的电池管理芯片为核心，根据上述微型电动旋翼无人机逡逑ＢＭＳ所述实际要求选择最合适的前端模拟。以上器件各参数性能对比如表２．１所示：逡逑逦表２．１邋电池管理芯片参数性能对比表逦逡逑？

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