·48·
NO.04 2019
( Cumulativety NO.40 )
中国高新科技
China High-tech 2019年第04期（总第40期）
1.1 系统工作原理
本产品是基于STM32的无人机锂电池充电系统，当电池组电量低时，对无人机锂电池组进行快速、安全、便捷地充电；当电池组长期不使用时，将电压控制在储存电压，防止对电池造成损害。本系统主要包括功率主回路、STM32主控模块、充电电流检测模块、单体电池电压检测模块和无线通信模块等。无人机锂电池充放电系统的总体构架如图 1所示。
图1 系统总体构架
1.2 充电系统主回路
本系统通过对国内外技术资料的综合及实际实践经验的总结，对充放电主回路给出了一种全新的设计——新型主回路拓扑，如图2所示。主回路选用软开关工作方式，与传统的相移谐振相比，驱动更加简单，可以很容易从传统硬开关电路的驱动方式上移植过来。主要包括充电主回路和放电电路，不仅能够高效、安全地对无人机锂电池充电，还能 将电池电压降低到规定值，满足用户个性化需求。
图2 BUCK&BOOST主回路示意图
放电的主要目的是清除电池的残余电量，或将电压降低到规定值。和充电一样，放电过程也要得到同样的重视，应正确设置放电终止电压以防止深
度放电。锂电池不可被放电到最低电压以下，否则
基于STM32的无人机锂电池充电系统
肖凡玥
（浙江师范大学物理与电子信息学院，浙江 金华 321000）
摘要：随着无人机制造技术提升、应用领域扩展以及国家的大力扶持，无人机的大规模应用时代即将到来，无人机产业将由现有的单一测绘航测转型为应用于交通、物流、矿产、电力、水利、农业、娱乐等领域。但是无人机动力源——锂电池的续航问题限制了无人机的推广。文章将研发一款性能优良、运行可靠的无人机锂电池充电装置，在尽可能不影响锂电池使用寿命的前提下，采用最大的充电电流，实现在短时间内快速、安全地充电。
关键词：无人机；锂电池；智能充电 文献标识码：A 中图分类号：TM912
文章编号：2096-4137（2019）04-048-03 DOI：10.13535/jki.10-1507/n.2019.04.14
收稿日期：2018-11-21
作者简介：肖凡玥（1999-），女，湖南韶山人，浙江师范大学物理与电子信息学院学生，研究方向：电力电子。
·49·
会导致容量的快速减小或完全失效。通常锂电池不需要放电，但是长期不使用锂电池时，应使其电压保持在最佳储存状态，以稳定性能和增长使用寿命。1.3 测量电路
1.3.1 电流检测电路
采用高精度检流芯片INA282进行电流检测，INA282的增益为50倍，共模抑制比较高，只需外接10mΩ电阻便可完成测量且非常精确。此外，INA282共模范围为－14~80V。利用INA282实现检流功能，电路简单、能耗较小。单片机可输入信号的最大电压为3.3V，且降压电路输出电流最大为3A，故采用0.01Ω电阻进行电流检测：
UR=0.01×3=0.03（V） UAD=50×UR=1.5（V）
同时，由于INA282增益为50倍，故输入单片机A/D采样电压为1.5V，刚好在单片机输入信号电压范围内且大小适中，读取10mΩ电阻两端的电压并将此
值送入单片机A/D。电流检测电路如图3所示。
图3 电流检测电路
1.3.2 电压检测电路
电压采样电路为电阻分压，将输出电压按一定分压比转换为单片机的ADC可读取的电平。为减少纹波干扰，采样电阻采集到的电压经滤波后输入单
片机。电压检测电路如图4所示。
图4 电压检测电路
通过检测单节锂电池的电压大小，CPU判断是
否对锂电池进行涓流充电、恒流充电或脉冲充电，当单节锂电池电压达到4.2V时，开启充电平衡电路，防止过充损坏电池性能。1.4 通信模块
要实现远程监控，必须建立可靠的无线通信，本项目比较了Zigbee、WiFi、GSM、GPRS、NB-IoT等几种常见的无线通信方式的优劣后，采用NB-IoT无
线通信的方法进行数据传输，如图5所示。
图5 无线通信
项目中无论是用户充电信息，还是充电器在工作过程中的状态信息，都将采用基于NB-IoT的无线通信方式，实现充电装置到用户手机或其他监控显示器的数据传输。
2 主要算法
2.1 防老化充放电算法
为缩短充电时间，本设计采用大电流对无人机锂电池充电，但在充电过程中必须采取一些措施防止电池老化，提高电池寿命。因此，在保证缩短充电时间的同时，将锂电池的充电过程分为4个阶
段：涓流充电、恒流充电、脉冲充电和充电终止。不仅保护了锂电池，还能缩短充电时间，充电策略
流程如图6所示。
图6 充电策略流程
·50·
电池接入充电系统时，先进行充电预处理，以10mA级的电流对电池进行温和的涓流充电。当所有单体电池电压都上升到2.5V时，进入恒流区，以最高5A的恒定电流对电池组快速充电。恒流充电阶段，任意单体电池电压达到4.2V，则此单体电池进入平衡充电状态，有效提高了电池寿命，且不影响其余单体电池继续快速充电。直到所有单体电池均达到4.2V，所有平衡电路断开，整个电池组进入脉冲充电阶段。
在脉冲充电区，电源间歇性地对电池组以恒定电流充电，随着电量越来越满，充电时间逐渐缩短，停充时间逐渐增加，即充电脉冲占空比越来越小，当占空比低于一定值时，终止充电。在实际策略设计过程中，将考虑去极化停充措施的最佳点，研究出适宜脉冲停止占空比。2.2 控制算法
本系统采用PID算法进行闭环控制。PID控制器是一种线性控制器，首先根据给定值和实际值得出偏差，然后对偏差按比例项KP、积分项KI和微分项KD进线性组合构成控制量。其基本原理图如图7
所示。
图7 PID基本原理图
将连续域的PI控制器离散后，可以得到数字域的增量式PI控制方程：
其中，KP、KI的参数可以根据Z-N法初步确定，然后再进行系数的微调。首先仅保留比例控制作用而不采用积分控制，选择合适的采样周期TS，
在闭环比例控制下逐渐增大比例系数，直至系统产生等幅震荡，记下此时的临界增益KU和临界震荡周期TU；然后根据TS、KU、TU得到PI控制器的参数。经验公式为KP=0.45KU，KI=0.85TU。
为防止因PI调节过快而导致系统不稳定，应确定PI控制器的零点。主电路小信号截止频率为
fr=1/（2π
）=503.29Hz，环路穿越频率为fc=fr/5=100.66Hz，则PI控制器零点Wz=KI/KP放在穿越频率fc与谐振点频率fr之间，可以提高相位裕度，从而提高系统稳定性。
3 结语
基于STM32的无人机充电系统由主回路模块、STM32主控模块、平衡充电模块、充电电流检测模块、单体电池电压检测模块和无线通信模块等构成，实现了电能变换、充电管理、根据电池实时状态调整最佳充电策略、根据情况触发报警保护和实时显示状态的功能，具有充电时间短、效率高、策
略先进的特点，极具应用价值。
参考文献
[1] 白瑞杰，李晓雪．《中国制造2025》背景下的无人
机发展前景[J]．电信工程技术与标准化，2017，30（4）：11-13．[2] 孙京宁，王眉．无人机飞行控制系统的传感器技术特
性研究[J]．无线互联科技，2010（3）：13-14．[3] W ang S，Fernandez C，Shang L，et al．An
integrated online adaptive state of charge estimation approach of high-power lithium-ion battery packs[J]．Transactions of the Institute of Measurement and Control，2018，40（6）：1892．[4] K aur J，Kumar A．Kumar．Commentary on “On
solving a multiobjective fixed charge problem with imprecise fractional objectives”[J]．Applied Soft Computing，2017（61）：681-682．
（责任编辑：吕 杰）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议