聶朝瑞，劉晨，胡洋，李俊超，淡可揚(yáng)

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程與通用航空學(xué)院，陜西西安， 710100）

0 前言

民用和消費(fèi)領(lǐng)域無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)有多種類型，當(dāng)前民用無人機(jī)基本使用單芯或多芯片鋰電池，為無人機(jī)動(dòng)力電機(jī)、飛行控制系統(tǒng)及機(jī)載設(shè)備提供能量。無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)往往對(duì)飛行時(shí)間、系統(tǒng)可靠性和機(jī)載重量存在均衡的考量，也因此對(duì)動(dòng)力電池的能量密度有著較高的要求。聚合物鋰電池?fù)碛袃?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(fèi)領(lǐng)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(diǎn)的同時(shí)也有一定的缺點(diǎn)，多種類型材料的聚合物鋰電池對(duì)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(shí)，電池的穩(wěn)定性也存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，在受到超過閾值電流設(shè)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(shè)備對(duì)鋰電池單芯片進(jìn)行全生命周期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就顯示的較為重要[6]。研究使用STC12X系列單片機(jī)對(duì)多芯鋰電池進(jìn)行電池監(jiān)測(cè)，目標(biāo)是為無人機(jī)系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行和降落后的動(dòng)力電池的健康狀態(tài)提供保障。

1 無人機(jī)動(dòng)力鋰電池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(qiáng)型的8051內(nèi)核可以單時(shí)鐘和機(jī)器周期進(jìn)行運(yùn)行，運(yùn)行速度比常規(guī)8051快6～12倍，在硬件設(shè)計(jì)中可以較大地提高系統(tǒng)程序運(yùn)行速率。芯片內(nèi)部具備獨(dú)立8通道的10位高速ADC，運(yùn)算速度可以達(dá)到250kHz，在電池電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上可以到達(dá)單通道4.8mV的測(cè)量精度。

■1.2 使用芯片內(nèi)置ADC進(jìn)行多通道電壓數(shù)據(jù)采集

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

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(cè)原理

■1.3 使用DS18B20進(jìn)行多通道溫度監(jiān)測(cè)

在嵌入式系統(tǒng)中常用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)。在研究和實(shí)驗(yàn)中，為了獲取室內(nèi)溫度和電池溫度，使用5路獨(dú)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其最大的特點(diǎn)是外接信號(hào)線方便，而且便于進(jìn)行成組管理。DS18B20溫度傳感器的測(cè)量溫度范圍在-55℃～127℃之間，其測(cè)量精度可以通過讀取數(shù)據(jù)設(shè)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(cè)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(duì)每個(gè)電芯進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

■1.4 使用LCD12864作為直接顯示設(shè)備

在硬件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試階段，為了更加清晰地觀察到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示設(shè)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(diào)試穩(wěn)定后即可手動(dòng)移除顯示設(shè)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(yù)警提示

設(shè)計(jì)使用高音量蜂鳴器作為電池電壓和溫度異常時(shí)的提示器件，蜂鳴器使用三極管進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)，使用STC芯片上的獨(dú)立I/O口進(jìn)行程序控制。蜂鳴器在驅(qū)動(dòng)模式上使用中斷策略，當(dāng)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(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出特殊提示音。

由于芯片單個(gè)I/O口在強(qiáng)推挽輸出時(shí)最大提供20mA的電流，而蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電流為30mA，單片機(jī)的I/O口不足以直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，因此使用Q9013三極管提高電流后對(duì)蜂鳴器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，保證蜂鳴器能夠正常運(yùn)行，如圖4所示。

圖4 高音量蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

2 無人機(jī)動(dòng)力鋰電池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guān)鍵的是電池電壓和溫度的監(jiān)測(cè)及預(yù)警程序。

如圖5所示，在軟件設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到嵌入式系統(tǒng)對(duì)電池電芯監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，內(nèi)部各個(gè)功能程序均已進(jìn)行了模塊化處理，各個(gè)功能子程序間相互調(diào)用和嵌套，在整個(gè)程序中不再設(shè)置其他無用的子程序，經(jīng)過迭代調(diào)試，極大地提高了程序執(zhí)行效率，同時(shí)也縮短了電池異常時(shí)的預(yù)警反應(yīng)時(shí)間。

圖5 鋰電池電芯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件流程圖

硬件系統(tǒng)在通電啟動(dòng)后，首先會(huì)對(duì)單片機(jī)自身、ADC模塊、DS18B20溫度傳感器模塊進(jìn)行自檢，如果自檢程序多次未通過則會(huì)引發(fā)故障處理子程序，進(jìn)而激活蜂鳴器向發(fā)出故障提示聲音。同時(shí)通過LCD12864和串口向外顯示故障代碼，自檢程序架構(gòu)為獨(dú)立子函數(shù)，放置在整體主循環(huán)程序的外部。如果各個(gè)模塊均通過自檢程序，則程序開始進(jìn)行每片電池電芯的電壓和溫度檢測(cè)。在檢測(cè)程序中，根據(jù)電壓檢測(cè)程序和溫度檢測(cè)程序的運(yùn)行時(shí)間不同，采用內(nèi)部中斷處理程序的方式進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。當(dāng)程序檢測(cè)到電池電芯的電壓發(fā)生異常波動(dòng)或者異常壓降，或者電芯溫度產(chǎn)生一定差異，則會(huì)觸發(fā)預(yù)警子程序。預(yù)警子程序驅(qū)動(dòng)蜂鳴器向外發(fā)出報(bào)警，同時(shí)也通過LCD12864和串口向外顯示故障代碼，此時(shí)只有通過手動(dòng)進(jìn)行預(yù)警解除或者系統(tǒng)程序重置才可以取消報(bào)警。

3 電芯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

■3.1 測(cè)試平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)使用直流電源設(shè)備為電池進(jìn)行充電，直流電源的電流電壓均可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，電源的輸出功率為1kW。電池放電設(shè)備為四旋翼無人機(jī)上安裝螺旋槳負(fù)載的無刷電機(jī)，型號(hào)為2212KV1400，最大輸出功率為400W。測(cè)試電池對(duì)象為兩組多旋翼無人機(jī)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(gè)組別的原因是選擇一組參照對(duì)象進(jìn)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(jīng)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(jīng)有所衰減，而且電池外觀已經(jīng)發(fā)生較明顯的鼓脹。測(cè)試平臺(tái)如圖6所示。

圖6 無人機(jī)動(dòng)力電池實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警測(cè)量平臺(tái)

■3.2 充電測(cè)試實(shí)驗(yàn)

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(dòng)充電方式對(duì)電芯進(jìn)行充電。在區(qū)域1時(shí)，電池的初始電壓為3.8V，此時(shí)開始準(zhǔn)備以恒定電流的方式對(duì)電芯進(jìn)行充電。經(jīng)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(shí)間內(nèi)，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(shí)間使用4.2V的恒壓保護(hù)充電方式，此時(shí)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(dòng)力電池充電實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)

表1 A組動(dòng)力電池電芯充電過程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在整個(gè)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(shí)間變化關(guān)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(gè)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(nèi)，此時(shí)電池監(jiān)控預(yù)警程序沒有預(yù)警動(dòng)作。

■3.3 放電測(cè)試實(shí)驗(yàn)

使用放電設(shè)備對(duì)B組1-3號(hào)電池電芯進(jìn)行放電試驗(yàn)，模擬在放電過程中電池電芯出現(xiàn)允許范圍內(nèi)的高倍率放電狀況時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電芯電壓異常變化的反應(yīng)時(shí)間和預(yù)警效果，放電測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。B組電池容量為400mAh，最大可以達(dá)到30C的放電倍率，因此最大放電電流可以達(dá)到12A。而在放電試驗(yàn)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(nèi)。

表3 B組動(dòng)力電池電芯放電過程測(cè)試區(qū)域預(yù)警動(dòng)作

在圖8中，展示了B組鋰電池電芯放電1500s時(shí)間內(nèi)的732個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。其中放電區(qū)域分為5個(gè)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(shí)電壓變化率達(dá)到了0.125V/10s超過了程序預(yù)設(shè)值，蜂鳴器開始進(jìn)行報(bào)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(dòng)，系統(tǒng)同樣啟動(dòng)了預(yù)警動(dòng)作。

圖8 B組動(dòng)力電池放電實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 B組動(dòng)力電池電芯放電過程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

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

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)通過使用STC12C5A60S2主控芯片，完成了對(duì)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(dòng)作給出了預(yù)警和提示。在聚合物鋰電池正常充電過程中，對(duì)其正常電壓變化進(jìn)行了過濾；在聚合物電池正常放電過程中，系統(tǒng)對(duì)發(fā)生的異常電壓變化給出提示和警告，為無人機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力鋰電池的健康使用過程給出了保障。設(shè)計(jì)為聚合物鋰電池在無人機(jī)系統(tǒng)中的使用過程中的安全保障策略提供了一些借鑒。