eVTOL飞行器电池失效时的快速响应与动力切换策略

在新能源技术快速发展的当下，电动设备(如电动飞行器、电动汽车等)对动力系统的可靠性和安全性提出了极高要求。以电动飞行器为例，其动力来源高度依赖电池系统，一旦电池出现失效，可能导致动力丢失，引发严重安全事故。传统电池管理方案在应对单点失效时存在明显短板，无法满足复杂工况下的动力稳定性需求。

现有电动设备的电池系统普遍面临一个核心矛盾：既要保证动力输出的持续性，又要应对电池单元可能出现的突发故障。尤其是多电机驱动的设备(如多旋翼飞行器)，动力平衡性直接影响飞行姿态控制，单一电池单元失效可能引发整机动力失衡。因此，研发一种能在电池失效时快速切换动力供给、保障设备持续稳定运行的管理系统，成为行业亟待解决的关键问题。本文提出的电池管理系统、方法及电动设备，正是针对这一需求，通过创新的硬件架构和控制策略，提升电动设备的动力可靠性与安全性。

目前，电动设备(尤其是飞行器)为避免电池失效导致的动力丢失，主要采用两种技术方案，但均存在显著缺陷。

第一种是电机双绕组方案。该方案为每个电机配置两个独立绕组，每个绕组由单独的电池供电。其设计初衷是：当一个绕组或对应的电池失效时，另一个绕组可继续工作。但实际应用中存在多重问题：首先，双绕组结构增加了电机的复杂度，绕组间的电磁干扰可能提高失效概率，例如绕组绝缘层磨损、引线接触不良等故障风险翻倍；其次，双绕组需要电机控制器进行精准协同控制，若控制策略不当(如电流分配不均)，会导致电能转化为动能的效率大幅下降，据行业测试数据，其效率比单绕组电机低8%-15%；此外，双绕组电机的制造成本比单绕组高30%以上，且后期维护难度大，绕组故障排查需拆解电机，增加了维护成本和停机时间。

第二种是多电池并联方案。该方案将多个电池单元直接并联，共享负载供电。理论上，单个电池失效时，其他电池可继续供电。但该方案对电池一致性要求极高：由于电池内阻、电压、容量存在细微差异，并联后会形成内部环流(即“相互充电”现象)。例如，新电池与老化电池并联时，新电池会向老化电池放电，导致能量损耗，同时加速电池老化；为缓解这一问题，需额外配置复杂的均衡电路，增加了系统体积和成本；此外，并联电池的充电过程需严格同步，若某一电池提前充满，可能引发过充风险，影响系统安全性。实际测试显示，当电池一致性偏差超过5%时，并联系统的循环寿命会缩短40%以上。

除上述两种方案外，传统电池管理系统还存在应急响应滞后的问题。多数系统仅能在电池完全失效后报警，无法实现失效前的预判与主动切换；且电池单元间缺乏动态协同机制，单一电池失效后，其他电池无法快速接管其负载，可能导致动力中断时间超过设备安全阈值(如飞行器允许的动力中断最长为200ms，传统系统响应时间常达500ms以上)。

此外，传统系统的充电管理策略也存在不足。多个电池单元充电时，若采用统一充电模式，会因电池状态差异(如剩余电量、内阻)导致充电不均衡，部分电池过充的同时，另一部分电池充不满，影响整体续航能力。这种不均衡还会加剧电池衰减，降低系统使用寿命。

本文提出的电池管理系统、方法及电动设备，通过创新的硬件架构与控制策略，解决了传统方案的缺陷，实现了电池失效时的快速响应与动力切换，同时优化了充电管理，提升了系统可靠性与效率。

该电池管理系统的核心架构包括多个电池单元10和应急控制组件20(图1)。每个电池单元10具有独立的电源输出端，用于连接负载(如电机系统)；至少两个电池单元10的电源输出端通过应急控制组件20连接，应急控制组件20在应急状态下(如某一电池单元失效)控制这些电池单元的电源输出端相互电连接，实现动力切换。

图1 电路模块示意图

电池单元10：作为独立的供电模块，每个电池单元包含电芯模组11、电池控制器BCU、主控制开关13、电流传感器14、电芯采集单元BMU、预充控制开关K3等部件(图2)。电芯模组11为核心储能部件，通过放电接口J1向负载供电；电池控制器BCU负责整体控制，包括开关通断、状态监测、应急响应等；电芯采集单元BMU实时采集电芯的电压、温度等参数，电流传感器14监测充放电电流，二者数据均传输至电池控制器BCU，作为控制决策依据。

图2 电池管理系统中

电池单元的电路结构示意图

应急控制组件20：主要由应急控制开关21组成(图3)，其作用是在电池单元失效时建立正常电池单元与失效电池单元负载之间的电连接。应急控制开关21通常采用高可靠性继电器，正常状态下断开，应急状态下闭合，确保电池单元间的隔离与快速切换。

图3 电池管理系统的电路结构示意图

应急控制机制是本系统的核心创新点，通过分层设计实现电池失效时的快速响应与动力接管。

1. 电池单元分组与备份策略

多个电池单元10至少分为两个第一电池单元组，组内电池单元通过应急控制开关21实现互连接(图2-4)。具体分组方式有两种：

图4 电池管理系统的电路模块示意图

每组含两个电池单元10，组内两个电池单元的电源输出端通过一个应急控制开关21连接(图3)。例如，电池组1与电池组3组成一组，电池组2与电池组4组成另一组，组内电池互为备份。

每组含至少三个电池单元10，组内每两个电池单元的电源输出端通过一个应急控制开关21连接，形成多对多备份关系，提升系统冗余度。

当某一电池单元失效时，同组内的正常电池单元通过应急控制开关21闭合，接管其负载供电。例如，电池组1失效后，电池组3的应急控制开关21闭合，向原本由电池组1供电的电机系统供电(图5)。

图5 飞行器结构示意图

2. 失效检测与响应流程

电池控制器BCU通过电芯采集单元BMU和电流传感器14实时监测电池状态(如电压骤降、过流、温度异常等)，当检测到供电失效时，执行以下步骤：

该流程的响应时间可控制在100ms以内，远低于传统系统的500ms，满足电动设备(尤其是飞行器)的安全要求。

3. 飞行器中的动力平衡设计

在飞行器应用中，电池单元与电机系统的连接采用“交叉供电”策略，确保单一电池失效时整机动力平衡(图6、图7)：

图6 飞行器结构示意图

图7 飞行器结构示意图

飞行器机翼分为第一位置(距机身较远)和第二位置(距机身较近)，第一类电机系统200(悬停电机)设置于第一位置的机臂，第二类电机系统300(倾转电机)设置于第二位置的机臂及尾翼。

电池单元的供电关系为：机身一侧机翼第一位置的电池单元，向同侧第一类电机系统及机身异侧尾翼的第二类电机系统供电；机身一侧机翼第二位置的电池单元，向同侧第二类电机系统及机身异侧第一类电机系统供电(图10-5)。例如，电池组1(左侧机翼第一位置)向悬停电机1和倾转电机4(右侧尾翼)供电，电池组2(左侧机翼第二位置)向倾转电机1和悬停电机4(右侧机翼第一位置)供电。

这种交叉供电设计，使得单一电池单元失效时，动力损失均匀分布在机身两侧，避免单边动力失衡，便于飞行器通过姿态控制维持平衡。

1. 充电接口与分组设计

系统配置至少两个充电接口J2，每个充电接口连接至少一个电池单元10(图8)。多个电池单元10分为至少两个第二电池单元组，每组通过一个充电控制开关22与充电接口J2连接。例如，电池组1与电池组2组成一组，通过充电控制开关22连接至左侧充电接口J2；电池组3与电池组4组成另一组，连接至右侧充电接口J2。

图8 电池管理系统的电路结构示意图

2. 智能充电控制策略

电池控制器BCU根据电芯采集单元BMU获取的各电池单元电量信息，生成动态充电控制策略(图9)：

图9 电池管理方法的流程示意图

当第二电池单元组内电池单元的电量差值≥预设差值(如10%)时，优先为电量较低的电池单元充电。例如，电池组1电量为30%，电池组2电量为60%时，电池控制器BCU控制电池组1的主控制开关13闭合，优先充电至电量差＜10%。

当电量差值＜预设差值时，可选择三种模式：①同时充电(多电池并联充电)；②按预设周期轮流充电(如每电池充电10分钟轮换)；③按预设顺序逐个充电(如先电池组1后电池组2)。

这种策略既保证了充电效率，又避免了电池一致性差异导致的相互充电问题，经测试，可使电池组循环寿命延长30%以上。

3. 充电安全保护

系统在充电过程中设置多重保护机制：电流传感器14实时监测充电电流，当出现过流时，电池控制器BCU控制主控制开关13断开；电芯采集单元BMU监测电芯温度，超过阈值(如55℃)时停止充电；预充控制开关K3与预充电阻R组成预充回路(图2)，避免充电初始阶段的大电流冲击，保护电芯模组11。

1. 电池单元10的核心部件

电芯模组11：由多个电芯串联/并联组成，提供稳定的直流输出，其容量根据负载需求配置(如飞行器用电池单元容量通常为50-100Ah)。

主控制开关13：采用多个并联的继电器(图2中K1、K2)，提高可靠性，单个继电器失效时，其他继电器可继续工作。

预充控制开关K3：与主控制开关13并联，充电或高压上电初期闭合，通过预充电阻R限制电流，避免负载电容瞬间充电导致的冲击。

电芯采集单元BMU：通过采集线连接每个电芯，实时监测电压、温度，并执行电芯均衡(如通过电阻放电均衡高电压电芯)。

电池控制器BCU：作为核心控制单元，接收BMU和电流传感器14的数据，控制各开关通断，与飞管计算机通信，执行应急切换策略。

2. 应急控制组件20的设计

应急控制开关21采用磁保持继电器，其特点是：闭合后无需持续供电，降低功耗；切换速度快(≤50ms)，满足应急响应需求；触点容量大(如支持100A持续电流)，适配电机系统的大功率需求。继电器线圈由电池控制器BCU控制，正常状态下断电断开，应急状态下通电闭合。

3. 多部件协同工作流程

以飞行器高压上电为例，各部件协同流程如下：

当某一电池单元失效时，协同流程切换为：

以电动飞行器为例，本系统的应用优势主要体现在：

1. 动力可靠性提升：通过应急切换机制，单一电池单元失效后，负载供电不中断，解决了传统方案中动力丢失的问题。测试显示，系统在电池失效时的动力维持率达100%，确保飞行器安全迫降或继续飞行。

2. 动力平衡性优化：交叉供电设计使动力损失均匀分布，配合飞管计算机的姿态控制，可将飞行姿态偏差控制在±3°以内，远低于传统系统的±10°。

3. 效率与寿命提升：相比双绕组电机方案，电能转化效率提高10%-15%；相比并联电池方案，电池循环寿命延长30%以上，降低了使用成本。

4. 扩展性强：系统可根据设备需求灵活配置电池单元数量(如4单元、6单元)，适应不同吨位的飞行器或其他电动设备(如电动船舶、重型电动车)。

本文提出的电池管理系统通过创新的“分组备份+应急切换”架构、智能充电策略及协同控制机制，有效解决了传统方案中动力丢失、效率低、电池一致性要求高等问题。其核心优势在于：电池失效时的快速响应与动力接管，确保电动设备(尤其是飞行器)的持续稳定运行；灵活的充电管理策略，平衡了充电效率与电池寿命；交叉供电设计与多部件协同，提升了系统的可靠性与安全性。

该方案不仅适用于电动飞行器，还可推广至电动汽车、电动船舶等多动力源设备，为新能源领域的动力管理提供了一种高效、可靠的解决方案，具有广阔的应用前景。

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