一种基于高比能锂电池的载人飞行衣装备设计的制作方法

1.本发明涉及一种基于高比能锂电池的载人飞行衣设计，该方法针对载人飞行和锂电池荷电状态的快速准确估算为目标，提出一种飞行衣设计方法和一种扩展卡尔曼滤波方法。其具体思路为：针对载人飞行目标，使用体积小，质量轻，推力稳定，电控电压低的涡轮发动机作为飞行动力源和方向控制动力源；使用方向控制模块和涡轮发动机飞行控制模块控制飞行高度和飞行方向；使用高比能锂电池作为方向控制模块和涡轮发动机飞控模块的动力源。实现载人飞行的目的。该方法是一种基于现代控制理论的载人飞行衣的设计方法，属于锂电池技术领域。
2.针对为飞控模块供能的动力锂电池荷电状态准确快速估算目标，提出一种扩展卡尔曼滤波，基本原理为结合信号与噪声的状态空间模型，采用上一次的估计量递推预测，采用当前的观测量修正更新，由此估计所关注的状态；通过在卡尔曼滤波算法基础上求取状态方程和观测方程的偏导，得到状态方程和量程方程的泰勒级数展开式，将非线性映射函数进行线性化，以得到对应于卡尔曼滤波迭代计算中所对应的系矩阵；从而将其转化成一个近似的线性化模型，在对于滤波误差及预测误差较小时，对荷电状态实现有效、实时和精确的估算；建立二阶thevenin等效电路模型在一定程度上弥补了内阻模型无法表征锂电池动态特性的缺点，并加入两个rc回路分别表征电池内部化学反应阶段电压快速变化的阶段和缓慢变化的阶段，对电池具有更好的表征效果；在电池等效电路模型基础上运用扩展卡尔曼算法实现锂电池组荷电状态估算模型的建立和荷电状态值的数学迭代运算；该方法是一种基于现代控制理论的锂电池组状态估算方法，属于新能源测控领域。


背景技术：

3.随着生活质量的提高，人们的娱乐休闲方式越来越广泛，不再局限于陆地海洋，开始向广阔的天空开始探索。现阶段的天空休闲有无人机飞行、跳伞、翼装飞行、热气球飞行等。跳伞、翼装飞行等无动力飞行要视天气状况进行，具有不稳定性，且只能先行到达高点进行向下运动，不确定因素较多，具有一定的危险性。热气球飞行可以实现自由升降飞行，但由于使用热力作为源动力，需要搭载大型热力机。热气球的体积也相对较大，使用相对不便，且需要专业人士驾驶操作，不能实现自主飞行。无人机飞行大部分为搭载摄像头进行飞行拍摄，由于电机和螺旋桨叶限制，要达到搭载人飞行的动力需求，需要制作桨径很大的无人机架才可以实现。因此，有必要设计一个规格小，动力大，操作简单的飞行衣装置。
4.锂电池在新能源领域的应用越来越广泛，其状态检测也越来越受到重视；其中能否准确估计锂电池荷电状态，关系到能否充分发挥电池的性能以及能否确保飞行衣安全飞行。对锂电池实现实时状态检测与安全控制具有重要的意义；然而飞行衣用锂电池工作工况复杂，其状态检测容易受到环境噪声的影响；且锂电池在使用过程中其内部电化学反应复杂，常伴随有极化效应，欧姆效应等，加之复杂工况下放电电流多变，电池内部温度，电池自放电以及材料多次循环使用老化等因素的干扰，使得传统的估计锂电池荷电状态的算法很难得出实时、准确的锂电池荷电状态；并且荷电状态的获取很大程度上依赖于针对电池
特性而建立的等效模型；但由于锂电池内部结构复杂，在复杂工况下使用时常表现出强烈的非线性特性，使得传统的等效模型很难完整正确表征锂电池的特性，等效建模与状态估计仍存在许多问题与不足之处；因此，针对如何根据锂电池的工作特性建立等效模型，并采用正确合适的算法对电池荷电状态进行估计，对锂电池进行实时监测和安全控制，对提高电池使用效率和保证安全飞行具有重要的意义。目前，在锂电池荷电状态估计中常用的方法有开路电压法，安时积分法神经网络法以及卡尔曼滤波法等；开路电压法采用开路电压与荷电状态之间存在的一一对应关系，通过获取电池开路电压值来获取荷电状态值，以达到估计的目的；安时积分法从定义出发，以电流在时间上的积分来计算荷电状态，是一种较传统的方法；神经网络法通过处理大量的电池实时输入输出数据来估计锂电池荷电状态；卡尔曼滤波法通过不断的迭代运算，获取最小方差意义上的最优解；由于电池在使用过程中内部复杂的电化学反应使其常表现出强烈的非线性特性，加之传统算法自身存在的一些缺陷，使得以上方法在处理非线性系统时往往不能准确的估计出锂电池荷电状态，常存在估计精度不高，误差大的问题；因此近年来研究人员针对这些问题，在传统算法的基础上又提出了一些改进的算法；锂电池复杂的内部结构使得其在使用过程中表现出强烈的非线性特性，这对传统的锂电池荷电状态估计方法提出了新的要求；同时荷电状态估计对于等效模型的依赖，又使得模型选择与构建十分重要；因此，在多种工况条件下，电池的等效电路建模与荷电状态估计仍需进一步开展。
5.现有锂电池组bms应用中，基于安时积分和开路电压的荷电状态估算方法，未能准确表征荷电状态估算中存在的累积误差，并且不能结合当前状态进行参数修正；通过现有荷电状态估算方法分析，基于扩展卡尔曼算法研究，将非线性状态空间模型进行线性化；对一般的非线性系统，首先围绕状态值将系统中的非线性函数通过泰勒级数展开并略去二阶及以上的项，得到一个近似的线性化模型，然后应用卡尔曼滤波完成对目标状态的滤波估计等处理；在滤波误差（估计值和真实值的偏差）及一步预测误差（该时刻与上一时刻的状态估计值之差）较小时不必预先计算标称轨迹（过程噪声和观测噪声均为0时非线性方程的解），因此可以快速估算荷电状态；在系统状态的变化频率和幅度较大时，可以通过增大采样频率和提高运算速度来达到较好的跟踪效果；针对锂电池组的荷电状态估算问题，结合实际单片机处理方法和迭代计算过程的优势分析，提出改进卡尔曼算法并开展迭代计算方法研究，实现了荷电状态估算模型的构建与实验验证。


技术实现要素：

6.本发明的目的是设计一种载人飞行衣，保证供电高比能锂电池的精确、快速荷电状态估算，提供一种载人飞行衣的设计方案和一种基于扩展卡尔曼的锂电池荷电状态估算办法。实现载人飞行的目的，并解决锂电池在载人飞行中荷电状态值的精确、快速估算问题。
7.本发明主要用轻质碳钎材料作框架，组装涡轮发动机，集成控制模块，动力锂电池为一个整体，设置通信模块并配备遥控器以便进行飞行控制。
8.本发明基于锂电池组动力应用需求和工作特性实验分析，结合现代控制理论研究思想，基于扩展卡尔曼算法的锂电池组荷电状态估算方法，具有较强的适用性；针对锂电池组荷电状态值精确估算目标，本发明建立二阶thevenin等效电路模型在一定程度上弥补了
内阻模型无法表征锂电池动态特性的缺点，并加入rc回路表征电池内部的极化效应，对电池具有更好的表征效果；本发明可为载人飞行场景下的锂电池荷电状态估算模型的建立和荷电状态值计算提供方法参考，具有计算简洁、适应性好和精度高的优点。
附图说明
9.图1是本发明模型图。
10.图2是本发明算法流程图。
11.图3是荷电状态估算迭代流程图。
具体实施方式
12.以下将对本发明的基于高比能锂电池的载人飞行衣设计结合附图作进一步的详细说明；本发明针对载人飞行衣这一课题，提出一种载人飞行衣设计思路：使用涡轮发动机、集成控制模块、动力锂电池进行载人飞行衣设计。载人飞行衣需要承载较大重量，因此需要降低自重，以保证有足够大的起飞重量。可以选用体积小，推力稳定、质量轻的新型涡轮发动机作为飞行动力。为保证预留足够大的负载重量，需要减轻不必要的重量。相比于普通铅蓄电池，高比能锂电池在提供同等电能的前提下，质量更轻。通过准确估算锂电池荷电状态，精确计算飞行所需电力，配备对应电池，以最优配置飞行重量。设计模型图如图1所示。使用承重效果优异的轻质碳钎维作飞行衣框架，将涡轮发动机、集成控制模块、动力锂电池按设计图整合组装，由于锂电池和涡轮发动机都要通过控制模块进行控制，因此将控制模块置于两者中间，配置具有显示器的飞行遥控器，可以通过显示器阅读飞行高度等状态信息，并通过控制器作进一步的飞行姿势调整。配备安全带，以保证飞行安全。
13.本发明针对锂电池成组应用时的荷电状态估算问题，提出了一种锂电池基于扩展卡尔曼的锂电池组荷电状态估算方法；扩展卡尔曼滤波算法（extended kalman filter，ekf）实际上是一个非线性化线性的过程，通过前一个时间估计下一个时刻的值，应用系统输入输出的观测值，来不断更新，从而实现最优估计；采用扩展卡尔曼滤波法估计锂电池荷电状态时，要求过程噪声和观测噪声为近似高斯分布的白噪声，这也是所有卡尔曼滤波法的一个局限性，在这种情况下才可以方便对过程噪声和观测噪声的协方差进行控制；在估计的过程中应用泰勒展开算法将锂电池的系统模型展开，再去掉高阶项以后剩下一个一阶线性化模型；在得到线性化模型以后再进一步通过卡尔曼滤波器来对锂电池荷电状态进行估计，其扩展卡尔曼的算法流程如图2所示。
14.扩展卡尔曼滤波算法是在普通卡尔曼滤波算法的基础上改进过来的；卡尔曼滤波算法是把非线性空间方程通过泰勒展开，舍去二阶及以上的高阶项，得到近似的线性空间方程，然后对线性空间方程应用卡尔曼滤波算法，从而估计当前空间状态，适用于离散非线性系统；对荷电状态基本迭代计算过程如图3所示。
15.综上所述，针对载人飞行衣和锂电池荷电状态著虐、快速估计目标，考虑到飞行载重、控制，锂电池荷电状态估计精度、计算复杂度和算法稳定性等各方面因素，本发明提出了一种基于高比能锂电池的载人飞行衣设计方法；设计出一套可行的飞行衣设计方案，保证飞行衣的安全可靠载人飞行；在充分考虑锂电池工作环境的基础上，结合扽小电路模型的建立，实现了锂电池荷电状态估算的迭代计算；对锂电池荷电状态的快速准确估算和对
锂电池工作状态的实时监测提供了准确的数据保证，从而保证了飞行衣的安全载人飞行。
16.本发明仅以基于高比能锂电池的载人飞行衣的设计思路及其使用的动力锂电池荷电状态估算为例进行了设计思路的阐述及扩展卡尔曼算法的快速准确估算锂电池荷电状态的算法流程说明；同时在承认本发明精神的前提下，热诚的欢迎本领域相关技术人员对该发明进行扩展补充和改善。