聶朝瑞，劉晨，胡洋，李俊超，淡可揚

（陜西職業(yè)技術學院 汽車工程與通用航空學院，陜西西安， 710100）

0 前言

民用和消費領域無人機的動力系統(tǒng)有多種類型，當前民用無人機基本使用單芯或多芯片鋰電池，為無人機動力電機、飛行控制系統(tǒng)及機載設備提供能量。無人機系統(tǒng)運行時往往對飛行時間、系統(tǒng)可靠性和機載重量存在均衡的考量，也因此對動力電池的能量密度有著較高的要求。聚合物鋰電池擁有優(yōu)良的放電特性和較高的能量密度，從而使得它成為目前民用和消費領域使用占比最多的電池種類[1～3]。

但聚合物鋰電池在具備高能量密度優(yōu)點的同時也有一定的缺點，多種類型材料的聚合物鋰電池對充電和放電電壓高低、充電和放電電流大小以及使用環(huán)境有著較為苛刻的要求[4,5]。同時，電池的穩(wěn)定性也存在較大的風險，在受到超過閾值電流設備放電和充電的沖擊、環(huán)境溫度的變化或者劇烈的物理撞擊和刺穿下，聚合物鋰電池極易出現(xiàn)鼓包、爆裂和劇烈起火現(xiàn)象。因此，使用嵌入式設備對鋰電池單芯片進行全生命周期的實時監(jiān)測就顯示的較為重要[6]。研究使用STC12X系列單片機對多芯鋰電池進行電池監(jiān)測，目標是為無人機系統(tǒng)在任務執(zhí)行和降落后的動力電池的健康狀態(tài)提供保障。

1 無人機動力鋰電池實時監(jiān)測硬件系統(tǒng)

■1.1 使用STC12X芯片作為主控芯片

研究使用STC12C5A60S2芯片作為主控芯片，其具備增強型的8051內核可以單時鐘和機器周期進行運行，運行速度比常規(guī)8051快6～12倍，在硬件設計中可以較大地提高系統(tǒng)程序運行速率。芯片內部具備獨立8通道的10位高速ADC，運算速度可以達到250kHz，在電池電壓的實時監(jiān)測上可以到達單通道4.8mV的測量精度。

■1.2 使用芯片內置ADC進行多通道電壓數(shù)據(jù)采集

高速STC12C5A60S2芯片內部ADC為8個獨立通道，分布在芯片的P10～P17管腳。ADC的分辨率為10位，測量范圍限制在0～5V以內。因此芯片內部A/D的理論精度可以達到4.8mV，但在實際的硬件電路測量過程中，可能會有電路上的干擾造成測量電壓的不規(guī)則跳動，在極限情況下這種跳動有可能會引起程序的錯誤判斷。在片內的程序中將會進行降低誤差處理，既芯片的每個通道進行采樣10次，對10次內的最大值、最小值和異常數(shù)值進行剔除，然后對剩余數(shù)值進行平均，將真實數(shù)據(jù)精度控制在10mV以內，這樣采樣精度將滿足多路電芯的電壓監(jiān)測。

圖1 基于STC12X的硬件系統(tǒng)原理圖

圖2 基于STC12X的ADC電壓監(jiān)測原理

■1.3 使用DS18B20進行多通道溫度監(jiān)測

在嵌入式系統(tǒng)中常用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進行溫度檢測。在研究和實驗中，為了獲取室內溫度和電池溫度，使用5路獨立的通道配置DS18B20數(shù)字溫度傳感器，數(shù)字溫度傳感器組使用統(tǒng)一的穩(wěn)定電源保證穩(wěn)定工作。

DS18B20是一種單總線模式的數(shù)字溫度傳感器，具有成本低、體積小、精度高和抗干擾能力強的優(yōu)點。其最大的特點是外接信號線方便，而且便于進行成組管理。DS18B20溫度傳感器的測量溫度范圍在-55℃～127℃之間，其測量精度可以通過讀取數(shù)據(jù)設置為0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃。在聚合物鋰電池電芯的溫度監(jiān)測中，使用5路數(shù)字溫度傳感器。其中一路為外部溫度獲取，其余4路分別對每個電芯進行監(jiān)測。

■1.4 使用LCD12864作為直接顯示設備

在硬件設計和實驗調試階段，為了更加清晰地觀察到實時監(jiān)測電壓和溫度的連續(xù)變化數(shù)據(jù)，使用了LCD12864液晶顯示屏作為實時數(shù)據(jù)顯示設備。LCD12864的硬件配置和連線如圖3所示。由于LCD12864使用20針的排插針腳，因此在系統(tǒng)調試穩(wěn)定后即可手動移除顯示設備。

圖3 基于STC12X的LCD12864硬件配置和連線圖

■1.5 使用高音蜂鳴器作為異常預警提示

設計使用高音量蜂鳴器作為電池電壓和溫度異常時的提示器件，蜂鳴器使用三極管進行功率驅動，使用STC芯片上的獨立I/O口進行程序控制。蜂鳴器在驅動模式上使用中斷策略，當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)多芯聚合物鋰電池電壓和溫度發(fā)生異常變化，則程序以中斷方式驅動蜂鳴器發(fā)出特殊提示音。

由于芯片單個I/O口在強推挽輸出時最大提供20mA的電流，而蜂鳴器的驅動電流為30mA，單片機的I/O口不足以直接驅動蜂鳴器，因此使用Q9013三極管提高電流后對蜂鳴器進行驅動，保證蜂鳴器能夠正常運行，如圖4所示。

圖4 高音量蜂鳴器驅動電路

2 無人機動力鋰電池實時監(jiān)測軟件流程

在基于STC12C5A60S2芯片的控制程序中，集成了多種功能程序。如4通道電池電芯電壓的采集程序，5通道DS18B20的溫度采集程序，LCD12864的圖形和文字顯示程序以及串口的數(shù)據(jù)發(fā)送程序。而在這些功能程序中，最關鍵的是電池電壓和溫度的監(jiān)測及預警程序。

如圖5所示，在軟件設計中，為了達到嵌入式系統(tǒng)對電池電芯監(jiān)測的實時性，內部各個功能程序均已進行了模塊化處理，各個功能子程序間相互調用和嵌套，在整個程序中不再設置其他無用的子程序，經過迭代調試，極大地提高了程序執(zhí)行效率，同時也縮短了電池異常時的預警反應時間。

圖5 鋰電池電芯實時監(jiān)測預警軟件流程圖

硬件系統(tǒng)在通電啟動后，首先會對單片機自身、ADC模塊、DS18B20溫度傳感器模塊進行自檢，如果自檢程序多次未通過則會引發(fā)故障處理子程序，進而激活蜂鳴器向發(fā)出故障提示聲音。同時通過LCD12864和串口向外顯示故障代碼，自檢程序架構為獨立子函數(shù)，放置在整體主循環(huán)程序的外部。如果各個模塊均通過自檢程序，則程序開始進行每片電池電芯的電壓和溫度檢測。在檢測程序中，根據(jù)電壓檢測程序和溫度檢測程序的運行時間不同，采用內部中斷處理程序的方式進行循環(huán)檢測。當程序檢測到電池電芯的電壓發(fā)生異常波動或者異常壓降，或者電芯溫度產生一定差異，則會觸發(fā)預警子程序。預警子程序驅動蜂鳴器向外發(fā)出報警，同時也通過LCD12864和串口向外顯示故障代碼，此時只有通過手動進行預警解除或者系統(tǒng)程序重置才可以取消報警。

3 電芯實時監(jiān)測測試實驗

■3.1 測試平臺

實驗使用直流電源設備為電池進行充電，直流電源的電流電壓均可根據(jù)需要進行調節(jié)，電源的輸出功率為1kW。電池放電設備為四旋翼無人機上安裝螺旋槳負載的無刷電機，型號為2212KV1400，最大輸出功率為400W。測試電池對象為兩組多旋翼無人機用聚合物鋰電池，單芯滿電電壓4.2V，A組滿電容量為2200mAh，B組滿電容量為400mAh，A和B電池組均為4塊電芯串聯(lián)模式。選用A和B兩個組別的原因是選擇一組參照對象進行參考，其中A組電池為正常全新聚合物鋰電池，而B組為已經使用了200次以上充電和放電循環(huán)的電池組，電池容量已經有所衰減，而且電池外觀已經發(fā)生較明顯的鼓脹。測試平臺如圖6所示。

圖6 無人機動力電池實時監(jiān)控預警測量平臺

■3.2 充電測試實驗

由于A組電池為全新鋰電池，因此在充電過程中，嘗試使用手動充電方式對電芯進行充電。在區(qū)域1時，電池的初始電壓為3.8V，此時開始準備以恒定電流的方式對電芯進行充電。經過20s左右的電流爬升，充電器電流穩(wěn)定在5A。在20s到850s的時間內，為恒流快速充電區(qū)。由于電芯為2200mAh，并且電芯工藝允許5C快速充電，但考慮到電芯的壽命問題，使用了2.5C的5A充電電流作為最大恒流充電電流。在850s到1100s的時間使用4.2V的恒壓保護充電方式，此時充電電流從1C逐步降低到0.1C，最后停止充電。電池電芯從3.8V充電到4.196V的充電電壓曲線如圖7所示。

圖7 A組動力電池充電實時監(jiān)控測量數(shù)據(jù)

表1 A組動力電池電芯充電過程監(jiān)測數(shù)據(jù)

在整個充電過程中，不論是在區(qū)域1的電池充電電流爬升階段，還是區(qū)域2的恒定電流充電區(qū)間以及區(qū)間3恒壓充電區(qū)間，電池電壓爬升保持了較為穩(wěn)定的狀態(tài)，電池的電壓和時間變化關系符合健康電池的要素。在變流充電的區(qū)域1中的電芯電壓變化率為0.025V/10s，恒流充電的區(qū)域2中電芯電壓的變化率為0.0039V/10s，在恒壓充電的區(qū)域3中，電池電壓變化率為0.00064V/10s。三個區(qū)域的電池電壓變化率均在鋰電池保持正常的充電變化率范圍內，此時電池監(jiān)控預警程序沒有預警動作。

■3.3 放電測試實驗

使用放電設備對B組1-3號電池電芯進行放電試驗，模擬在放電過程中電池電芯出現(xiàn)允許范圍內的高倍率放電狀況時，實時監(jiān)測系統(tǒng)對電芯電壓異常變化的反應時間和預警效果，放電測試數(shù)據(jù)見表3。B組電池容量為400mAh，最大可以達到30C的放電倍率，因此最大放電電流可以達到12A。而在放電試驗中放電電流為1.5A，放電倍率3.75C，放電電流在電芯額定放電的要求之內。

表3 B組動力電池電芯放電過程測試區(qū)域預警動作

在圖8中，展示了B組鋰電池電芯放電1500s時間內的732個數(shù)據(jù)點。其中放電區(qū)域分為5個區(qū)域，在放電區(qū)域1中，電池電流開始從0爬升到1.5A，此時電壓變化率達到了0.125V/10s超過了程序預設值，蜂鳴器開始進行報警。同樣，在放電區(qū)域3和放電區(qū)域5中，由于電池電芯的原因，放電區(qū)域3和5中出現(xiàn)了較大的電壓波動，系統(tǒng)同樣啟動了預警動作。

圖8 B組動力電池放電實時監(jiān)控測量數(shù)據(jù)

表2 B組動力電池電芯放電過程監(jiān)測數(shù)據(jù)

測試區(qū)域1、2和3分別為電芯恒流放電的不同階段進行的電芯預警測試。在3個區(qū)域的放電過程中，通過手動方式中止電池電芯的放電狀態(tài)，3個測試區(qū)域的電池電芯的電壓回升變化率分別達到了0.33V/s、0.34V/s和0.4V/10s，都觸發(fā)了電池電芯的報警程序，蜂鳴器發(fā)出了提示警報聲音。

4 結論

設計通過使用STC12C5A60S2主控芯片，完成了對電池電壓和溫度的采集和處理，并在電池充電和放電過程中發(fā)生異常充放電動作給出了預警和提示。在聚合物鋰電池正常充電過程中，對其正常電壓變化進行了過濾；在聚合物電池正常放電過程中，系統(tǒng)對發(fā)生的異常電壓變化給出提示和警告，為無人機系統(tǒng)的動力鋰電池的健康使用過程給出了保障。設計為聚合物鋰電池在無人機系統(tǒng)中的使用過程中的安全保障策略提供了一些借鑒。