基于 STM32的无人机锂电池充电系统探讨

基于 STM32的无人机锂电池充电系统探讨

李仙琪 1 张俊伟 1 陈大富 1 柴剑珩 2 罗强 3 王翀 1

1. 贵州电网有限责任公司培训与评价中心 贵州省贵阳市 550002

2.贵州电网有限责任公司兴义供电局 贵州省兴义市 562400

3.贵州电力天能企发培训咨询服务有限公司 贵州省贵阳市 551400

摘要：文章首先介绍了基于STM32的无人机锂电池充电系统工作原理；之后分析了基于STM32的无人机锂电池充电系统的构成，主要包括三个方面：充电系统主回路、测量电路、通信模块，最后探讨了基于STM32的无人机锂电池充电系的主要算法，主要包括两个方面：防老化充电算法、控制算法。通过以上几个方面的研究分析，希望能够为以后有关方面的研究工作提供一些帮助。

关键词：STM32；无人机；锂电池；充电系统

锂电池与其他材质的电池相比具有多个方面的优势，比如无记忆效应、良好的循环性能以及较高的电压等等。目前，很多移动便携式装备都采用锂电池作为核心储能装备。而在一些比较特殊的装备中，比如无人机等，为了保证其能够进行长时间连续作业，往往需要设置更多的储能，通常情况下也是采用锂电池。而在对锂电池进行充电和放电时，需要对多个方面的因素进行全面考虑，比如充电快速性、电压均衡性等。我国近些年来大力支持绿色能源技术的推广和应用，这在很大程度上推动了以锂电池为代表的动力蓄电池的发展。

1.基于STM32的无人机锂电池充电系统工作原理

本文研究设计的无人机锂电池充电系统以STM32为基础，在使用过程中如果电池组的电量过低，该系统就会立即对无人机锂电池组进行充电，不仅非常便捷、高效，而且还具有较高的安全性；如果锂电池组长时间处于休眠状态，该系统还能够将电压控制在储存电压，从而避免损害锂电池。本系统主要包括以下几个部分：功率主回路、单体电池电压检测模块、充电电流检测模块以及STM32主控模块等。详情见图1^[1]。

图1 系统总体构建

2.基于STM32的无人机锂电池充电系统的构成

2.1充电系统主回路

本文通过归纳总结国内外相关方面的研究资料以及实践经验，设计出了一种全新的充放电主回路，即新型主回路拓扑。主回路并没有采取传统的相移谐振的工作方式，而是采用了软开关，这种工作方式与前者相比，更容易进行驱动，在实践中可以直接移植传统硬开关电路的驱动方式。充电系统主回路主要包括两个方面，即充电主回路、放电电路。利用该系统一方面能够对无人机锂电池进行安全、高效地充电，另一方面还能够有效降低锂电池电压到规定值，从而使用户的个性化需求得到充分满足。进行放电主要是为了将电池中的残余电量全部清除或者降低电压到规定值。放电过程和充电过程一样，在实际操作过程中一定要给予足够的重视，特别是要对放电终止电压进行正确的设置，避免出现深度放电的现象，必须保证放电之后的锂电池电压高于最低电压，否则将会使锂电池容量在短时间内快速减小，甚至导致锂电池完全失效。一般情况下不需要对锂电池进行放电操作，但是锂电池如果长时间放置不使用，则应该根据实际情况定期充电，使其始终保持在最佳的储能状态，从而使锂电池的性能保持稳定，并使其使用寿命延长。

2.2测量电路

2.2.1电流检测电路

在进行电流检测的过程中主要采用INA282检流芯片，该芯片不仅精度较高，并且其增益为50倍，还具有较高的共模抑制性，因此在进行检测时只需要将10mΩ电阻进行简单外接，就可以非常精确地进行测量。另外，该芯片的共模范围在-14~80V之间。在进行电流检测的过程中使用INA282芯片不仅能够有效减少能耗，并且整个电路也比较。使用单片机可输入最大电压为3.3V信号，同时降压电路能够输出最大为3A的电流，因此在进行电流检测的过程中需要将电阻值设置为0.01Ω。与此同时，因为INA282检流芯片具有50倍增益，因此应将输入单片机A/D采样电压设置为1.5V，这与单片机输入信号的电压范围相符合，之后将10mΩ电阻两端的电压读取并记录下来，最后在单片机A/D中输入此值即可^[3]。

2.2.2电压检测电路

采用电阻分压的电压采样电路，能够按照一定的分压比将输出电压转换为电平，从而使单片机的ADC可以进行读取。另外，为了使纹波干扰最大程度的降低，采样电阻采集到的电压进行相应的滤波处理之后，要及时将其输入到单片机中。通过对单节锂电池的电压进行检测，系统CPU会对锂电池是否需要进行充电进行判断，并选择合适的充电方式，比如脉冲充电、恒流充电以及涓流充电等等，对于电压已经达到4.2V的单节锂电池，要将充电平衡电路及时开启，避免过冲对锂电池的性造成损害。

2.3通信模块

安全、可靠的无线通信是实现远程通讯的基础，在本文的研究中对几种比较常见的无线通信方式的优点和缺点进行了充分分析和比较，主要包括Zigbee、NB-IoT、WiFi、GPRS以及WiFi等，最终选择用来进行数据传输的通信方式为NB-IoT，详情见图2。在本项目中，通过NB-IoT无线通信方式对用户充电信息以及充电器工作过程中的状态信息进行传输，从而使充电装置到用户手机的数据传输得以实现

^[3]。

图2 无线通信

3.基于STM32的无人机锂电池充电系的主要算法

3.1防老化充电算法

为了使充电时间尽可能的缩短，在本文的研究中对无人机锂电池进行充电时，一律采用大电流。但是，需要采取相应的保护措施避免在充电过程中导致电池老化，从而使电池的使用寿命得到有效的延长。因此，在使充电时间最大程度缩短的同时，还需要科学划分锂电池的充电过程，在本文的研究中主要分为涓流充电、恒流充电、脉冲充电以及充电终止4个阶段。这样一方面能够对锂电池进行有效地保护，另一方面还能够使充电时间大幅缩短。当充电系统介入电池之后，会先进行涓流充电，这个充电阶段的电流只有10mA，实际上就是对电池进行充电预处理。之后随着单体电池的的电压不断上升并达到2.5V时，充电系统就会进入恒流充电阶段。在这个阶段，单体电池的电压达到4.2V之后就会自动进入平衡充电状态，从而使电池的使用寿得到有效延长，与此同时也不会对其他单体电池的充电产生影响。之后单体电池全部达到4.2V之后，系统就会断开平衡电路，并对所有电池进行脉冲充电。随着电池电量趋于饱和，充电脉冲占空比就会不断缩小，当达到设定的数值时，充电就会终止^[4]。

3.2控制算法

在本文的研究中，闭环控制采用PID算法。作为线性控制器做中的一种，PID控制器能够通过实际值和给定值将相应的偏差计算出来，之后可以按照微分项KD、积分项KI以及比例项KP对偏差进行线性组合，并由此得出控制量。图3表示其基本原理。

图3 PID基本原理

结束语：

总而言之，本文研究设计的无人机锂电池充电系统以STM32为基础，不仅有效进行充电管理和电能变化，同时还能够依据电池的实时状态对充电策略进行相应的调整，从而在大幅缩短充电时间的同时，使电池寿命有效延长，因此具有非常高的应用价值。

参考文献：

[1]程红丽, 吴军营, 贾龙飞,等. 基于STM32的锂电池组并行充电系统的设计[J]. 自动化仪表, 2016, 037(005):39-43.

[2]钟良涛, 黄琦梦, 代杰. 多旋翼无人机用锂电池组电源管理系统设计[J]. 电源世界, 2019(01):34-36.

[3]李治国, 罗洋坤. 基于STM32的锂离子电池充电系统研究[J]. 软件, 2019(6):127-129.

[4]郑直. A closed-loop control system of sensor-less brushless DC motor based on STM32%基于STM32的无传感器无刷直流电机闭环控制系统[J]. 电子设计工程, 2019, 027(010):178-182.[5]