CN105226346B - 多旋翼无人机的电池恒温设备及测温方法 - Google Patents

Abstract

多旋翼无人机的电池恒温设备及测温方法。随着无人机技术的推广和普及，越来越多的应用方向都在考虑使用无人机来替代传统方式。一种多旋翼无人机的电池恒温设备，其组成包括：恒温箱体（1），恒温箱体一侧具有防水充电口（2）、开关键（3），恒温箱体的内部具有加热电池、动力电池、加热片和控制电路，加热片以导热硅脂粘接于动力电池散热铝板上，控制电路是采集电池表面温度值与预先设定好的温度阀值进行比较，达到加热条件驱动所述的加热片对电池进行加热，控制电路具有电源电路（4）、MCU电路（5）、温度检测电路（6）、加热电路（7）、温度阀值设定电路（8）、声光报警电路9。本发明应用于无人机的动力锂电池。

Description

多旋翼无人机的电池恒温设备及测温方法

技术领域：

本发明涉及一种多旋翼无人机的电池恒温设备及测温方法，使用的动力电池恒温系统。它为无人机在低温环境下正常工作提供了基础，确保了无人机在恶劣环境下的正常使用，充分发挥了无人机的使用潜能。

背景技术：

随着无人机技术的推广和普及，越来越多的应用方向都在考虑使用无人机来替代传统方式。无人机较传统方式的优点有很多，如便携性强、操控简单、成本低廉、发射及回收占用场地小等等。无人机应用的场合逐渐增多，其后续问题也逐渐浮出水面：比如低于零下10℃的环境可致使动力锂电池性能下降50%以上，但目前大多数无人机却没有对于动力锂电池在低温环境下工作的普遍实用的解决方案。

发明内容：

本发明的目的是提供一种多旋翼无人机的电池恒温设备及测温方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种多旋翼无人机的电池恒温设备，其组成包括：恒温箱体，所述的恒温箱体一侧具有防水充电口、开关键，所述的恒温箱体的内部具有加热电池、动力电池、加热片和控制电路，所述的加热片以导热硅脂粘接于所述的动力电池散热铝板上，所述的控制电路是采集电池表面温度值与预先设定好的温度阀值进行比较，达到加热条件驱动所述的加热片对电池进行加热，所述的控制电路具有电源电路、MCU电路、温度检测电路、加热电路、温度阀值设定电路、声光报警电路。

所述的多旋翼无人机的电池恒温设备，所述的电源电路为各个部件提供稳定的+3.3V电压，所述的MCU电路被配置成输入的I/O端口与所述的温度采集电路和阀值设定电路连接，分别采集温度数据与设定加热阀值，所述的MCU电路被配置成输出的I/O端口与加热电路和声光报警电路连接，提供加热和报警的驱动信号。

所述的多旋翼无人机的电池恒温设备，所述的加热片为碳纤维电热片，所述的加热片为12v/6w，配用所述的加热电池为12.2v/2000mAH。

所述的多旋翼无人机的电池恒温设备，所述的电源电路采用LM2596降压芯片，所述的LM2596降压芯片开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，具有线性和负载调节特性。

所述的多旋翼无人机的电池恒温设备，所述的MCU电路采用STM32F103VCT6芯片，所述的温度检测电路温度检测采用DS18B20传感器，所述的DS18B20传感器采用单线接口方式，所述的加热电路采用MOSFET驱动碳纤维加热片。

所述的多旋翼无人机的电池恒温设备的测温方法，该方法包括如下步骤：

（1）开启恒温箱电源后，恒温箱首先对加热电池和动力电池的电压进行检测，如果低于电压阀值则开启声光报警，提醒操作人员电量不足；

（2）恒温箱对电池温度进行多点温度检测，如果检测结果低于温度阀值则对加热片进行供电；

（3）由于动力锂电池工作时会自动放热，当动力锂电池本身放热到30℃时，加热片停止工作，并继续监测电池温度。

本发明的有益效果：

1.本发明采用闭环控制温度方式，实时监测电池表面温度，当低于阀值时自动开始加温，将温度控制在零上20℃范围内。当电池工作时本身放热，一旦电池本身放热达到合适温度时电热系统停止工作并继续监测电池温度。恒温箱外部设有低电量示警及充电口，使得电池封闭性进一步提升。为无人机在多项领域复杂环境下的长期稳定使用进一步奠定了基础。

本发明控制电路的主要作用是采集电池表面温度值与预先设定好的温度阀值进行比较，如达到加热条件驱动碳纤维加热片对电池进行加热。可以根据不同的使用环境，通过键盘设定不同的温度阀值，满足各种使用条件。

本发明导热碳纤维是一种为热工设计所开发的高导热碳纤维材料，这种碳纤维在纤维方向上的导热系数可以超过铜，最高可以达到700W/mk，同时具有良好的机械性能、导电性能和优异的导热及辐射散热能力，由这种碳纤维制成的纤维状高导热碳粉本身呈纤维状，可以设计导热取向，这是区别于以往的碳粉和其它导热材料的最大不同和优势，可用在高分子复合材料的填充、开发电子电器用散热材料、解决高密度集成电子元器件、LED等的散热问题。

本发明以导热碳纤维制成的碳纤维电热片是把天然纤维或者是人造纤维通过碳化，在碳纤维发热布两端加以电压制成的一种新型电转热型加热片。碳纤维电热片有低比重、高强度、高弹性、耐腐蚀、耐高温、耐磨损、加热均匀、无电磁辐射、无噪音、无污染、无静电，寿命长等诸多优良特性。即使用4片碳纤维加热片可提供1小时的满负载加热时间。又由于动力锂电池本身工作放电会产生30℃以上热量的特性，故当无人机开始工作后10分钟本加热系统即可停止工作。

本发明所述的温度阀值设定电路、所述的声光报警电路阀值通过键盘设定，单片机扫描键盘输入值，保存到内部存储器。当系统运行时，传感器采集的温度达到阀值之后，单片机通过蜂鸣器和发光二极管进行声光报警，可以更直观的掌握电池温度情况。当温度过低过高时可以提醒操作人员对电池进行维护，增强人机交互。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的工作流程示意图。

附图3是本发明的电路结构示意图。附图4是电源电路的原理图。

附图5是MCU电路的第一部分的电路原理图。

附图6是MCU电路的第二部分的电路原理图。

附图7是MCU电路的第三部分的电路原理图。

附图8是MCU电路的第四部分的电路原理图。

附图9是温度检测电路的原理图。

附图10是加热电路的原理图。

附图11是温度阀值设定电路的原理图。

附图12是声光报警电路的原理图。

图中相同线路符号之间具有连接关系。

具体实施方式：

实施例1：

一种多旋翼无人机的电池恒温设备，其组成包括：恒温箱体1，所述的恒温箱体一侧具有防水充电口2、开关键3 ，所述的恒温箱体的内部具有加热电池、动力电池、加热片和控制电路，所述的加热片以导热硅脂粘接于所述的动力电池散热铝板上，所述的控制电路是采集电池表面温度值与预先设定好的温度阀值进行比较，达到加热条件驱动所述的加热片对电池进行加热，所述的控制电路具有电源电路4、MCU电路5、温度检测电路6、加热电路7、温度阀值设定电路8、声光报警电路9。

实施例2：

根据实施例1所述的多旋翼无人机的电池恒温设备，所述的电源电路为各个部件提供稳定的+3.3V电压，所述的MCU电路被配置成输入的I/O端口与所述的温度采集电路和阀值设定电路连接，分别采集温度数据与设定加热阀值，所述的MCU电路被配置成输出的I/O端口与加热电路和声光报警电路连接，提供加热和报警的驱动信号。

实施例3：

根据实施例1或2所述的多旋翼无人机的电池恒温设备，所述的加热片为碳纤维电热片，所述的加热片为12v/6w，配用所述的加热电池为12.2v/2000mAH。

实施例4：

根据实施例1或2或3所述的多旋翼无人机的电池恒温设备，所述的电源电路采用LM2596降压芯片，所述的LM2596降压芯片开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，具有线性和负载调节特性。

实施例5：

根据实施例1或2或3或4所述的多旋翼无人机的电池恒温设备，所述的MCU电路采用STM32F103VCT6芯片，所述的温度检测电路温度检测采用DS18B20传感器，所述的DS18B20传感器采用单线接口方式，所述的加热电路采用MOSFET驱动碳纤维加热片。

实施例6：

一种实施例1—5之一所述的多旋翼无人机的电池恒温设备的测温方法，该方法包括如下步骤：

（1）开启恒温箱电源后，恒温箱首先对加热电池和动力电池的电压进行检测，如果低于电压阀值则开启声光报警，提醒操作人员电量不足；

（2）恒温箱对电池温度进行多点温度检测，如果检测结果低于温度阀值则对加热片进行供电；

（3）由于动力锂电池工作时会自动放热，当动力锂电池本身放热到30℃时，加热片停止工作，并继续监测电池温度。

实施例7：

电源部分

电源部分采用LM2596降压芯片，LM2596开关电压调节器LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了电源电路的设计.

MCU部分

MCU部分采用ST公司生产的STM32F103VCT6芯片。该芯片具有运算速度快、功耗低、成本低、外围电路简单、片上资源丰富等，能够满足一般复杂系统的设计。

此设计中单片机采集前端18B20传感器的温度值通过数据处理，与预先用键盘写入的温度值进行比较，当满足加热条件时，驱动加热部分电路对电池进行加热。当温度值超过警戒设定值，单片机驱动声光报警模块进行报警，更加直观的进行人机信息的交互。若不满足加热条件，进入低功耗模式，降低系统功耗。

温度检测部分

温度检测采用DS18B20传感器，DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

技术性能描述

①、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

②、测温范围－55℃～+125℃，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）1℃。

③、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

④、工作电源：3.0~5.5V/DC（可以数据线寄生电源）

⑤、在使用中不需要任何外围元件

⑥、测量结果以9~12位数字量方式串行传送

本设计中采用4只18B20传感器，分别布置在电池的不同部位，采用单总线连接能够减少设计走线。用MOSFET做驱动能够提高信号强度，增加单总线上传感器数量，为以后扩展设计留下冗余。

加热部分

加热部分采用MOSFET驱动碳纤维加热片，由于加热片的电流在500毫安左右，故采用一个MOSFET就可以驱动四片加热片。单片机数字电平为3.3V不足以驱动MOSFET。因此选取芯片76ALV164245，该款芯片可以将3.3V信号转换成5V信号可以简化系统电路设计，提高设计效率。

温度阀值和声光报警

阀值设计通过键盘设定，单片机扫描键盘输入值，保存到内部存储器。当系统运行时，传感器采集的温度达到阀值之后，单片机通过蜂鸣器和发光二极管进行声光报警，可以更直观的掌握电池温度情况。当温度过低过高时可以提醒操作人员对电池进行维护，增强人机交互。

实施例8：

当加热片为40℃，锂电池初始温度为10℃，恒温箱外界温度为-30℃时，经过计算达到静置热平衡后锂电池温度为39.7℃。需要指出的是，为了便于有限元计算，锂电池的模型数据是由铝块代替，所以实际锂电池的导热率并没有达到铝块的120W/(mK)。但是，这不影响计算目的，锂电池的热平衡温度在正常使用温度范围内。当锂电池开始放电并自身放热，温度超过30℃时，传感器会关闭加热片来节约能源和保护动力锂电池。

Claims (3)

1.一种多旋翼无人机的电池恒温设备，其组成包括：恒温箱体，其特征是：所述的恒温箱体一侧具有防水充电口、开关键 ，所述的恒温箱体的内部具有加热电池、动力电池、加热片和控制电路，所述的加热片以导热硅脂粘接于所述的动力电池散热铝板上，所述的控制电路是采集电池表面温度值与预先设定好的温度阀值进行比较，达到加热条件驱动所述的加热片对电池进行加热，所述的控制电路具有电源电路、MCU 电路、温度检测电路、加热电路、温度阀值设定电路、声光报警电路；

所述的加热片为碳纤维电热片，所述的加热片为12v/6w，配用所述的加热电池为12.2v/2000mAH；

所述的MCU 电路采用STM32F103VCT6 芯片，所述的温度检测电路温度检测采用DS18B20 传感器，所述的DS18B20 传感器采用单线接口方式，所述的加热电路采用MOSFET驱动碳纤维加热片；

采用闭环控制温度方式，实时监测电池表面温度，当低于阀值时自动开始加温，将温度控制在零上20℃范围内；当电池工作时本身放热，一旦电池本身放热达到合适温度时电热系统停止工作并继续监测电池温度；恒温箱外部设有低电量示警及充电口，使得电池封闭性进一步提升。

2.根据权利要求1 所述的多旋翼无人机的电池恒温设备，其特征是：所述的电源电路为各个部件提供稳定的+3.3V 电压，所述的MCU 电路被配置成输入的I/O 端口与所述的温度检测电路和温度阀值设定电路连接，分别采集温度数据与设定加热阀值，所述的MCU 电路被配置成输出的I/O 端口与加热电路和声光报警电路连接，提供加热和报警的驱动信号。

3.根据权利要求1或2所述的多旋翼无人机的电池恒温设备，其特征是：所述的电源电路采用LM2596 降压芯片，所述的LM2596 降压芯片开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A 的驱动电流，具有线性和负载调节特性。