巡檢無人機應急充電電源管理系統設計

林火煅，陳 杰，沈 濱，孫 嬙，李文院，繆希仁

(1.國網福建省電力有限公司漳州供電公司，福建 漳州 363000; 2.福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

0 引言

電網的規模在不斷擴大，傳統的人工巡檢需要耗費大量的時間、人力和財力，這種方式成本高且效率低.為克服傳統人工巡檢的不足，鑒于無人機技術的迅速發展與應用，電力企業開始采用無人機沿線巡檢[1-5].無人機巡檢具有迅速快捷、不受地形環境限制、工作效率高、機動靈活等優點[6].但無人機巡檢的續航能力較差，一般小型無人機電池續航能力為15～30 min[7]，且日常不能滿電保存.在發生自然災害(如臺風、暴雨等)后的電力線路巡檢中，需要無人機立即出動，且進行高強度、高頻次巡檢，但現有的無人機充電電源管理系統充電裝置采用一對一方式，充滿時間為3～5 h，且無法在外出巡檢中進行應急充電，難以滿足災后無人機應急充電的需求.

目前，應急充電技術主要的應用場合多為電動車系統、數碼電子裝置等系統，電池管理的概念常用于大型的電動車電池、大容量的儲能系統電池管理，無人機的電池應急充電和電源管理系統目前關注較少.樊海軍等[8]設計了一種基于XC866單片機控制的鋰電池組管理系統，實現充放電控制和均衡控制，但該系統功能單一，不能應對緊急情況下對220 V負載充電的需求.王碩等[9]設計一種基于CAN總線的鋰離子電池組充電管理系統，采用克服死區的PI增量算法，實現了電池單體狀態檢測，提高了控制精度，但其充電時間>4 h，無法滿足災后無人機應急巡檢需求.文[10]中提出利用TCP/IP技術建立的電源管理系統實現無人或少人值守，減少維護人員的工作量，提高維護質量.

針對無人機災后等應急搶險等工程實際需要，克服現有充電電源管理系統的局限性，本研究提出基于整流逆變技術的巡檢無人機車載充電電源管理系統，采用交錯并聯PFC設計和TCP/IP技術，實現對不同廠家、不同型號無人機(鋰電池)的應急充電，對災備行進途中或災備現場交流負載的應急充電，對充電裝置的狀態監測及遠程管理.

1 巡檢無人機車載應急充電電源管理系統原理

1.1 系統組成

巡檢無人機車載應急充電電源管理系統主要是由汽油發電機、電源供應器(鉛酸蓄電池組)、整流模塊、逆變模塊、充電模塊、無人機負載鋰電池電壓智能充電管理模塊、手機APP組成.系統充電裝置固定于車載平臺中，在日常檢修、奔赴應急搶險途中和到達目的地后進行應急充電.該系統的主要功能是通過整流、逆變及充電裝置進行能量轉換，主要分為災備后行進途中的充電功能和到達目的地后的現場充電功能.無人機應急充電電源管理系統結構組成如圖1所示.

圖1 無人機應急充電電源管理系統結構組成Fig.1 Structure composition of emergency charging power management system for UAV

行進途中的充電功能： 在災備應急車行進途中對無人機電池進行充電，將已充電的鉛酸蓄電池組的24 V直流電通過DC/DC充電裝置直接給無人機鋰電池組充電，同時也可利用DC/AC逆變裝置逆變成220 V交流電，供車輛行進過程中災備應急人員攜帶的需220 V交流電的設備(如筆記本電腦)進行充電.

災備現場的充電功能： 在災備現場利用汽油發電機通過AC/DC整流裝置，將220 V交流電整流為24 V直流電給DC/DC充電裝置提供電源，用于無人機鋰電池組充電.同時AC/DC整流裝置也可對鉛酸蓄電池組進行充電.

對比現有的無人機電源管理系統，本研究設計的巡檢無人機車載應急充電電源管理系統具有明顯的優越性，如表1所示.在充電速度上，巡檢無人機車載應急充電電源管理系統有很大的提升；在安全性上，通過溫度監控以及遠程監控，提高充電安全；在應急需求方面，通過一對多充電配合快速充電滿足應急需求；在日常維護方面，對電池進行充放電管理，加上遠程操控，實現提高安全性的同時降低人力成本.在充電場景方面，巡檢無人機車載應急充電電源管理系統固定在車載平臺，可實現行進途中以及外出現場應急充電，從而更好地滿足災后無人機巡檢需求.

表1 巡檢無人機車載應急充電電源管理系統與現有的無人機電源管理系統對比

1.2 AC/DC整流裝置原理

無人機充電電源柜常放置在汽車上，故電源的抗震性、密閉性、溫度范圍等都是要考慮的內容.其次該充電電源管理系統工作環境常在戶外，因此需要電源具備工作效率高、電網諧波低、輸入輸出穩定、體積小、輸出功率等級相對大等特點.為克服蓄電池充電時，蓄電池兩端電壓隨電池電量而變化，本設計的AC/DC整流裝置還具有輸出電壓范圍寬的特點.AC/DC整流裝置的整體設計結構如圖2所示.

圖2 AC/DC 整流裝置整體結構圖Fig.2 Overall structure diagram of AC/DC rectifier

1.3 DC/AC逆變裝置原理

圖3 DC/AC 逆變裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of DC/AC inverter

DC/AC逆變裝置的功能是將車載攜帶的鉛酸蓄電池組輸出的24 V直流電轉化為220 V交流電，供給筆記本電腦等交流負載.DC/AC逆變裝置主要是由四部分組成，如圖3所示.鉛酸蓄電池組所產生的24 V直流電，進入推挽升壓電路，通過PWM控制，使其輸出直流高壓.將直流高壓送后級的全橋逆變電路，從而將其轉變為220 V 50 Hz交流電.通過LC濾波器可將消去全橋逆變電路輸出電壓中夾帶的高次諧波，從而便于交流負載使用.

1.4 智能充電管理模塊裝置原理

充電裝置在能量轉換模塊的基礎上，增加了智能充電管理模塊.目前常用的無人機負載鋰電池規格一般為3、4、6 s.不同廠家或者不同型號的無人機，對充電適配器的充電電壓要求不一樣，為了實現同一充電裝置對不同無人機的充電，設計的充電裝置具有根據實際的無人機鋰電池特性，可自動調整輸出電壓的特點.

智能充電管理模塊通過識別無人機電池的平衡頭，從而識別對應型號的電池，選擇對應的充電參數，對電池進行均衡充電.如3 s的電池是由3個3.7 V電池串聯構成，滿電時電池對外呈現13 V左右，每節電池4.2 V.均衡充電就是將交流電變壓、整流得到13 V的直流電，利用3個電解電容、均壓電阻對13 V分壓，每個電容上就得到了4.33 V，再用三極管搭建一個閉環電路，從而控制充電的開關以及電流大小，實現每節電池均衡充電.此外，智能充電管理模塊通過TCP/IP通訊技術與手機APP實現數據的遠程傳輸，從而達到遠程監控管理.

2 AC/DC整流裝置

AC/DC整流模塊主要功能是將車載汽油發電機產生的不穩定電壓的交流電整流為幅值為24 V的直流電，供給DC/DC充電裝置，用于無人機鋰電池組充電.同時AC/DC整流裝置也可對鉛酸蓄電池組進行充電.

2.1 AC/DC整流裝置設計

2.1.1硬件設計

硬件部分主要由輸入濾波、交錯并聯PFC、全橋LLC諧振變換器、輸出整流、輸出濾波、數字控制、輔助電源、驅動模塊、采樣模塊所組成.根據能量轉換原理，又可分為兩級，如圖4所示.

圖4 AC/DC變換電路主電路Fig.4 Main circuit of AC/DC converter circuit

前級 AC/DC 采用交錯并聯Boost PFC整流技術，使整個裝置能夠在增大功率的同時增大功率密度，且具有較小的電流紋波.后級 DC/DC 采用全橋LLC諧振變換器，使其不僅能夠實現原邊功率開關管全負載范圍內的ZVS開通，也能實現副邊整流二極管的ZCS關斷，同時還具備寬電壓輸出，提高了充電設備的整機效率[11].

在交錯并聯PFC電路中，S1和S2開關的導通占空比相同，其中S2的驅動波形滯后S1半個開關周期.因此，雖然單個BOOST電路的電感電流是斷續的，但合成后的PFC變換器的輸入電流卻是連續的，由此既保留了PFC電路中開關管的零電流開通以及輸入功率因數接近于1的特性，也使整個電路呈現CCM模式，每一路開關器件通過的電流僅為輸入電流的一部分，多個開關管錯時分擔輸入電流降低了開關管的容量要求.同時PFC電路中的兩個電感交錯工作，因此兩路電感電流疊加時紋波相消，從而減小輸入電流紋波.相比于傳統PFC電路，交錯并聯PFC電路提高了輸入電流紋波頻率，減小輸入電流紋波幅值，有效降低了輸入電流的高頻諧波含量，降低了濾波器的設計難度.

2.1.2控制設計

控制部分設計對應分為兩個部分，前級交錯并聯PFC控制采用數字控制芯片TMS320F28033型DSP，實現電壓電流檢測、控制、保護等功能.后級全橋LLC諧振變換器控制采用TMS320F28035 型DSP芯片，從而實現輸出電壓的寬范圍調節以及較低紋波的直流電壓.DSP的處理信號速度足夠快，可以使整個充電設備控制靈活，實時性高，從而使整個充電電源管理系統的穩定性能提高.

圖5 兩級PFC技術框圖Fig.5 Two-stage PFC technical block diagram

AC/DC整流裝置設計的難點之一是交錯并聯PFC控制.單級PFC變換結構存在輸出電壓范圍小的不足，且功率因素、諧波、效率等都難以滿足設計要求，故采用具有PFC功率因素校正技術的兩級變換器結構，達到AC/DC 整流裝置高功率因數、低諧波的效果.后級DC/DC充電裝置將PFC母線直流電通過各種不同的拓撲轉變成交流電，再通過變壓器、整流電路將其轉換成直流電，從而實現輸出電壓的寬范圍調節以及低紋波的直流電壓.兩級PFC技術框圖如圖5所示.

2.2 AC/DC整流裝置實驗結果分析

測試條件為220 V交流輸入，滿載輸出，實驗結果如圖6所示.系統設計要求最大輸出功率： 1.6 kW，輸出直流電壓 24 V.圖6(a)和圖6(b)分別為輸出電壓啟動波形和輸出電壓穩態波形.從圖6(a)可以看出整流設備啟動時，電壓過沖幅值較小，且能快速到達額定輸出值.圖6(b)表明輸出電壓穩態值約為23.3 V，圖6(c)所示為輸出電壓紋波，從圖中可以看出紋波峰-峰值為34.2 mV，說明電壓波動范圍較小，輸出直流電質量較高，基本滿足設計指標.圖6(d)為整流裝置的最終實物圖.

圖6 AC/DC整流裝置實驗結果圖Fig.6 Experimental results of AC/DC rectifier

3 DC/AC逆變裝置

設計的充電電源管理系統的DC/AC逆變裝置為用單片機控制的正弦波輸出逆變電源，以車載蓄電池組輸出的24 V直流電作為輸入，輸出220 V的正弦波交流電，以滿足在行車途中筆記本等交流負載的供電需求.

3.1 DC/AC逆變裝置設計

逆變裝置主電路采用前后級隔離設計，如圖7所示.前級為推挽升壓電路，通過高頻變壓器升壓，從而實現前后級的隔離.控制電路采用UC2846芯片，利用變壓器進行采樣，從而實現電壓閉環控制.后級為全橋逆變電路，采用單極性SPWM調制方式，由單片機PIC18F2331控制驅動電路對逆變橋的4個開關管進行正弦脈寬調制，直流電壓經過逆變電路輸出后，最終在負載上得到指定頻率與幅值的正弦波.在保護方面，通過電壓，電流檢測裝置采集輸出信號，從而實現輸入過/欠壓保護、短路保護等多重保護，增強了該電源的可靠性和安全性.

圖7 DC/AC逆變裝置主電路原理圖Fig.7 Principle diagram of main circuit of DC/AC Inverters

3.2 DC/AC逆變裝置實驗結果分析

對系統實物電路進行測試，如圖8所示.其中，圖8(a)按從上到下分別為開關管S3，S5，S4，S6的驅動波形，圖8(b)為逆變裝置的輸入輸出電壓波形，圖8(c)為逆變裝置的最終實物圖.系統要求輸入電壓24 V直流電壓，輸出電壓為220 V 50 Hz交流電壓，圖8(b)中的藍色波形為輸入直流波形，紅色為輸出交流波形，測試結果顯示，輸入電壓基本穩定于24 V，輸出電壓頻率在50 Hz,有效值約212 V，基本滿足設計指標.

圖8 DC/AC逆變裝置實驗結果圖Fig.8 Experimental results of DC/AC Inverters

4 手機APP遠程監控

自然災害后無人機需盡快進行巡檢，而電池日常不能滿電保存，采用手機APP遠程控制其立刻充電可縮短出發時間.無人機電池不能過充、過放，電池的日常維護可提高電池的使用壽命.設計的APP還提供充/放電狀態、充/放電次數以及充/放電遠程控制，實現無人機電池日常維護的自動化管理，有效降低電池管理的人力和時間成本，大幅度減輕無人機維護的工作量.

手機APP采用Android開發，界面采用極簡風格和平面化設計.TCP/IP協議是一種面向連接的高效以太網傳輸協議，具有較好的穩定性與安全可靠性[12].利用TCP/IP通信協議，可將充電裝置中的智能充電管理模塊采集到的電池電壓電流信息傳輸到遠程APP控制界面，同時也可在APP端控制電池充放電，從而實現災后巡檢無人機電池管理.

5 結語

針對災后無人機應急充電管理需求，提出基于整流逆變與TCP/IP技術的無人機災備車載應急充電電源管理系統研制.采用交錯并聯PFC和遠程APP，研制無人機災備車載應急充電電源管理系統.在災備行進途中或災備現場，對不同廠家、不同型號無人機(鋰電池)或交流負載實現應急充電及充電裝置的遠程APP監控管理，有效解決無人機在外出巡檢時無法進行應急充電續航問題，大幅度擴大無人機的續航能力和巡航范圍，縮短災后緊急外出巡檢的準備時間，對災后無人機巡檢起到重要的保障作用.此外，對其它無人機野外作業現場的電池能量持續供電也具有保障作用.