无人机锂电池的电量监测系统设计.docx

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无人机锂电池的电量监测系统设计

无人机锂电池的电量监测系统设计

本篇主要讨论的是无人机的电量显示问题，但是往往每个无人机的电池型号和电池容量都不一样，那么为了防止无人机飞远了回不来的情况，为了合理地安排无人机飞行的时间，那么我们必须要让无人机能够精确的显示电量，能够更好地让我们判断电池容量和续航能力。

因此，与一些新能源的电能交换和新能源的持续使用已成为长期的挑战。

本设计使用稳压器LM7805。

LM7805的输出端口可用于单芯片和其他芯片，因此可以输出稳定的5V电压。

然后，它可以用作下一个电源电压转换电路。

其次，DC/DC转换器通过控制关断时间的占空比来调节输出电压，同时考虑到电池燃料监控过程的电压要求不同，并且不可能实现简单而稳定的DC输出，建议使用该电路。

SCM是控制中心，控制信号生成电路由无人机锂电池电力监视处理的外部状态生成，外部电源监控电压比较信号和无人机锂电池电源监控电流以及理想的电源监控过程，占空比调整，为此，设计了一个带有电压和电流检测电路的微控制器，该设计设置在显示模块和指示器上，以使用户更容易了解系统状态。

背景

在相应的发电系统中，使用智能控制方法控制系统是一个很好的决定。

从历史的角度来看，电能历史悠久，他是非常古老的能源。

它也是一种安全，清洁，廉价且无污染的绿色能源[1]。

从过去的发展到今天，电能也是许多新能源之一，并且正受到人们越来越多的关注。

但是，鉴于目前的情况，由于中国传统的能源数量，这种情况正在逐渐减少，如果不能有效地管理和系统地解决目前的情况，最终结果就是中国的能源危机将极为困难，也将是一个非常严重的情况。

另外，当前的电热水器对于许多人来说太昂贵了，并且当实际使用燃气热水器时，还有一些主要的开发特性是不安全的。

然后，最终从燃气热水器释放的二氧化碳气体直接释放到大气中，北方使用煤气释放热量，最终导致整个城市的环境污染，基于这些现实原因和综合背景发展趋势，电热水器逐渐受到公众的关注，并在广泛的使用。

意义

近年来，随着多旋翼无人机相关技术的不断成熟，这种结构简单、成本低廉，操控方便的民用飞行器，越来越受到青睐，其在航拍、救灾、农业、侦查、环境监测等领域的应用越来越多[2]。

小型化多旋翼无人机普遍采用新型锂聚合物电池提供动力，因其具有比能量高[3]、小型化、超薄化、轻量化，及高安全性和低成本等优点。

而目前很多半自主控制的无人机控制系统都是根据电池电压来估计动力电池剩余电量，但是锂聚合物电池的剩余电量还与电池温度、充放电倍率、电池老化、自放电等因素有关。

如何有效，快速，安全地控制无人机锂电池的充放电一直是人们关注的问题。

锂电池从一开始到现在已有100多年的历史，但是由于技术条件的限制，许多当前的电气监控仍然使用传统的监控方法，在使用这些常规功率监视方法的过程中，铅酸锂电池大多存在着的过量电量监测和析气等现象[4]。

锂电池寿命将在一定由于常规的锂电池功率监视结构简单并且功率监视控制是模拟控制，因此仅存在一种功率监视方法，并且不能根据锂电池的充电状态来调整功率监视方法。

另外，诸如对锂电池功率监视过程的监视和保护之类的功能无法满足对锂电池功率监视进行无人值守监视的要求[6]。

程度上缩短，用户将遭受一定的经济损失[5]。

近年来，日益完善和成熟的数字信号处理技术不断提高了微控制器的成本效益，并且锂电池的电源监视控制也已从模拟控制转变为数字控制，该数字控制锂电池功率监视系统可以实现多种复杂的功率监视控制方法，监视和显示锂电池功率监视过程，提高了系统的灵活性，并减小了系统尺寸，通过更有效的电源监控来延长锂电池寿命[7]。

尽管锂电池的管理和维护对于锂电池用户至关重要，但高效且无害的电源监控设备对于提高锂电池的使用效率和延长其寿命至关重要。

因此，能够提高能源利用效率，加快功率监测且不影响铅酸蓄电池使用寿命的新型高效，快速的无损功率监测技术，在现代电力电子技术中受到了广泛的关注的研究方向[8]。

随着锂电池在新能源开发中的广泛应用，提出了对锂电池功率监测方法和功率监测装置的新要求，并且正在进行快速，高效和安全的锂电池功率监测系统的研究和设计是非常重要的任务[9]。

从两个方面考虑了对锂电池功率监视的改进，一个是用于监视锂电池的功率的方法，第二是用于监视锂电池的功率的设备。

随着电力电子技术，微电子技术，计算机技术和自动控制技术的发展，对锂电池电力监测控制方法和电力监测装置的研究越来越广泛，对汽车等新兴绿色环保产业的发展非常重要[10]。

研究现状

由于电能对环境相对安全，并且电能不能被耗尽，因此自诞生之日起便迅速普及。

同时，电能产生可以细分为以下形式：

第一个是光感应，第二个是光生物，第三个是太阳能发电[11]。

在这方面，太阳能是增长最快，最受欢迎的方法之一。

基本上，太阳能电池板用于完全吸收太阳发出的辐射能，但是由于这种类型的电池板实际上是半导体材料，因此可以用于发电。

此方法还具有以下优点：

它非常环保，并且永远不会成为少量污染物，因此可以不断开发。

它可以建在所有开放空间中，并且高度灵活。

可以连接到电网，也可以单独运行[12]。

超高质量，可以为您带来非常可靠的电源。

施工非常方便，可以在施工期间前后形成负荷，从而增加了电网的传输功率[13]。

发电效率与太阳能发电有密切的关系，并不影响发电规模[14]。

无需在所有光线充足的地方使用运输工具。

锂离子电池很少发生结晶反应，但是这种反应是产生记忆效应的原理。

然而，在多次充电和放电之后，锂离子电池的性能将继续恶化，其原因非常复杂。

最重要的是改变阳极和阴极材料，从分子的角度来看，可以容纳锂离子的正负孔塌陷，影响电流的充放电；从化学角度来看，正极和负极材料的钝化会产生一些稳定的化合物，这也会影响性能。

从物理角度看，由于在充电和放电过程中不可避免的摩擦和碰撞，外部材料可能会缓慢排出或掉落[15]。

所有这三个原因导致锂离子电池在充电和放电过程中参与传导的锂离子的损失[16]。

过度的充电和放电可能会损坏电池或缩短其寿命，当过度放电时，阴极碳可能会释放出过多的锂离子，从而导致片状结构塌陷，由于过度的功率监控，太多的锂离子被迫流向阴极，碳结构使某些锂离子不再释放，这就是为什么锂离子电池通常配备用于充电和放电的控制电路的原因[17]。

锂离子电池通常具有管理芯片和电源监视控制芯片。

其中，管理芯片具有一系列寄存器，用于存储容量，温度，ID，功率监视状态和放电计数等值。

该值的使用将逐渐改变。

功率监视控制芯片用于控制电池的功率监视过程。

监视锂离子电池电量的过程分为两个阶段：

恒定电流快速充电阶段（电池指示器为黄色时）和恒定电压和电流减小阶段（电池指示器呈绿色闪烁）[18]。

开始燃料监控时，电池电压会以较大的斜率上升，并且达到电池的标准电压时，然后，在控制芯片的控制下，其变为恒定电压监视状态，并且在此过程中，电压几乎不变，并且电流逐渐减小，如果电气监控电流几乎降至零，则可以认为电气监控已停止，因为电池已满。

功率统计芯片可以通过记录放电曲线（电压，电流，时间）来记录并计算电池电量。

但是，多次使用锂离子电池后，放电曲线会发生变化，如果芯片没有机会再次读取完整的放电曲线，则计算出的电量将不正确。

因此，要校准电池芯片，必须对其进行严格充电和放电。

锂离子电池的缺点是对电源监控有严格的要求，并需要保护电路。

锂离子电池所需的功率监控方法是恒流恒压方法，为了有效利用电池容量，必须在全电压下监视锂离子电池的电源，但是过电压监视会损坏电池，从而提高了控制精度。

另外，对于低压电池，需要对电池进行预充电，因此最好使用热保护和时间保护来进一步保护电池。

可以看出，实现安全，高效的电源监控已成为锂离子电池推广应用的瓶颈。

[19]。

锂电池功率监控技术始于二次电池的诞生，与锂电池的开发和应用密切相关。

法国物理学家普兰特（Plante）首次发明了第一种燃料气体监测技术，于1859年发明了锂铅酸电池。

当时，他使用了一次电池燃料气体监测。

电化学处理和电极板表面制造中的困难没有实际应用[20]。

1882年，Sialon使用铅-锑合金建造了电网，从而提高了电网的机械强度，并开始使用发动机驱动直流发电机作为电源进行功率监控，从那时起，铅酸电池具有实用价值。

随着变压器技术和整流技术的发展，自1914年开始使用交流电源。

变压器转换和用锂电池电源整流后，由变压器监视交流电源[21]。

自1950年代以来，现有的电气监控技术在使用过程中逐渐显示出缺点，并且一些国外实验室已开始研究锂铅电池的快速电气监控。

总结了铅酸电池快速充电监测理论的研究。

自1970年代初以来，中国对锂电池功率监测技术进行了研究并取得了一些进展，但发展缓慢。

通过国内外现有的电监控技术，总结了锂铅酸电池电监控过程中各种电监控方法的优缺点，开发更智能的锂铅电池监视电池至关重要。

然而，由于当前的功率监视设备不具有智能功能，因此仍然难以采用更加智能的功率监视方法[22]。

由于上面介绍的电能的各种优点，许多国家正在尝试开发太阳能技术，并且它在许多地方变得越来越流行，甚至相关技术也取得了长足的进步。

根据长期发展计划，分布式发电可能成为未来光伏电力在电力市场蓬勃发展的关键机制，而那些常见的能源将被淘汰。

结合现阶段的实际情况，太阳能技术已逐渐成为对传统发电技术的有力保障，特别是在信号电源较差或相对较远的情况下，可以使用太阳能完全保证正常的使用寿命。

它还对环境保护和相关能源战略储备有积极影响。

概述

无人机锂电池电量监测理论基础

如图2.1所示，该电路主要由无人机锂电池保护，充放电控制MOSFET1（带有两个N沟道MOSFET）以及用于其他组件的特殊集成电路DW01组成，单个无人机锂电池连接到B+和B.-电池组在P+和P-处输出电压。

在电源监测期间，电源监视的输出电压连接在P+和P-之间，电流从P+流到单个电池上的B+和B-，然后将电源监视控制MOSFET连接到P-。

在电源监视过程中，当单个电池的电压超过4.35V时，专用集成电路DW01的OC引脚输出信号将关闭电源监视控制MOSFET，并且无人机锂电池会立即停止电源监视以防止无人机锂电池过度充电监控会损坏电池。

在放电期间，当单节电池的电压下降到2.30V时，DW01OD引脚的输出信号将关闭放电控制MOSFET，并且无人机锂电池会立

即停止放电，以防止由于过放电而损坏无人机锂电池。

在1960年中期，美国科学家马斯（Maas）对开放式锂电池的功率监控过程进行了许多实验研究，并提出了假设最低气体输出速率的锂电池功率监控曲线，如图2.2所示。

根据实验，如果电气监控电流根据该曲线变化，则电气监控时间可以大大缩短，并且不会影响电池容量和寿命。

原则上，该曲线称为最佳功率监控曲线，为快速功率监控方法的研究提供了方向。

您可以在图2.2中看到它。

初始功率监视电流很大，但是很快就减小了。

主要原因是功率监控过程中的极化。

在密闭型锂电池的功率监控过程中，内部会产生氧气和氢气，如果氧气不能及时吸收，则会积聚在正极板上（正极板产生氧气），从而增加电池的内部压力并收缩，同时提高电池温度。

正极板的面积表示内部电阻的增加，并且发生所谓的极化现象。

（2-1）

显然，电监控过程和放电过程是彼此相反的反应。

可逆过程是热力学平衡过程，为了始终保持电池处于平衡状态，必须使通过电池的电流尽可能小。

理想条件是施加的电压等于电池本身的电动势。

但是，实际上表明，在监视锂电池时，由于电极材料和溶液浓度等各种因素的不同，施加的电压必须增加到一定值，该值在一定程度上超过锂电池的平衡电动势值。

在化学反应中，电动

超过热力学平衡值的这种现象是极化现象。

一般而言，存在极化的三个原因如下：

在欧姆极化电监控过程中，正离子和负离子会移动到两个极。

在离子迁移过程中，不可避免地会产生一定的电阻，称为欧姆内阻。

为了克服该内部电阻，必须施加额外的电压以克服该电阻并施加电压以促进离子迁移。

该电压被热传递到环境中，并且发生所谓的欧姆极化。

随着电监控电流迅速增加，欧姆极化将在电