一種可遠程控制的無人機電池充電管理設(shè)備

許佳松 唐驥釗 李卓恒 陳栩杰

廣東電網(wǎng)有限責任公司汕尾供電局（廣東 汕尾 516600）

0 研究背景

無人機巡檢是電網(wǎng)運行檢修的主要手段之一。隨著機巡比重的不斷增加，無人機的數(shù)量越來越多，管理難度也越來越大，尤其是無人機普遍采用的高容量鋰電池存在過充過放風險，控制不好將縮短電池使用壽命，甚至引發(fā)燃爆事故。無人機電池通常采用多電芯串并形式，以實現(xiàn)較高的電壓電流輸出，每塊電池集成了獨立的充放電智能管理電路[1]。通常無人機充電可采用三種方式：（1）使用專用的電池充電器或電池管家為1～4塊電池充電。電池滿電后智能管理電路控制自動停止充電，若電池一段時間沒有使用，電池自動轉(zhuǎn)為存儲模式，管理電路控制電池自動放電至40%～60%電量。（2）使用電池充電槽為10～20塊電池充電。電池電量低于40%時，通過電池通信技術(shù)控制電池至存儲模式電量上限，避免電池長期未使用出現(xiàn)過放情況，導(dǎo)致電芯提前衰退。（3）使用多個電池充電槽和控制中心組成的充電柜。該種方式能夠遠程實時掌握所有電池電量情況，并控制電池充存模式，實現(xiàn)無人值守充電[2]。目前，通過Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)的智能插座、智能開關(guān)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在智能家居產(chǎn)品中，是較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

1 無人機充電技術(shù)存在的問題

現(xiàn)有的無人機充電技術(shù)存在以下問題。

（1）多個電池充電槽和控制中心組成的充電柜配置成本高，使用不夠靈活。

（2）單個電池充電槽不支持充電過程遠程監(jiān)控，在無人值守的情況下，大量鋰電池同時置于槽內(nèi)充電，存在安全隱患。

（3）充電槽連接智能插座的情況只能控制充電槽通斷電，無法獲取電量信息，不便于電池計劃使用和應(yīng)急充電。

2 主要功能與工作過程

2.1 主要功能

無人機電池充電管理設(shè)備主要分為手機應(yīng)用端、充電設(shè)備硬件控制電路、充電設(shè)備控制程序三個部分。這三部分缺一不可，共同實現(xiàn)無人機電池充電管理設(shè)備的功能。

手機應(yīng)用端主要用于設(shè)置、記錄和反饋充電槽的狀態(tài)等；硬件控制電路主要控制電源端的輸入和斷開，控制充電狀態(tài)；控制程序主要是等待接收用戶的請求，隨時發(fā)送充電命令，并定時反饋電池電量狀態(tài)。

2.2 工作過程

該裝置采用常用220V 交流電供電，總電源輸入后分為兩路，一路經(jīng)過電源適配器降壓后為控制器供電，另一路接入交流接觸器。交流接觸器控制類型為常開，默認情況下切斷電池充電槽的電源輸入，使其處于斷電狀態(tài)。控制器作為下位機通過通信模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，與服務(wù)器通信，用戶的手機上安裝應(yīng)用程序與服務(wù)器通信[3]。

需要遠程控制充電槽充電時，用戶按下應(yīng)用程序中的啟動按鈕，手機應(yīng)用程序發(fā)送請求至服務(wù)器，并由服務(wù)器作為上位機下發(fā)啟動指令至控制器，控制器接收指令后，控制交流接觸器觸發(fā)，使電源輸入電池充電槽，電池充電槽自動啟動并為電池充電。在充電過程中，電池充電槽定時上傳充電狀態(tài)及進度至控制器，并由控制器上傳至服務(wù)器保存，用戶可以在手機應(yīng)用程序上查看這些信息[4]。

充電完成后，用戶可以在手機應(yīng)用程序上點擊關(guān)閉按鈕，遠程斷開電池充電槽供電，避免電池充電槽故障導(dǎo)致電池過充等問題，保障用電安全。

3 設(shè)計原理

無人機電池充電管理設(shè)備主要由硬件、軟件、結(jié)構(gòu)三個部分組成。

3.1 硬件部分

在控制盒中，采用的單片機為STM32F407VGT6，其為控制盒的核心控制器。單片機控制RS485通信、通信模塊和LED的顯示。因為STM32的供電電壓是3.3 V，所以采用AMS1117降壓芯片將電池電壓穩(wěn)定到主芯片所需電壓芯片。在RS485通信電路中，通常采用ADM2483差分總線收發(fā)器與STM32連接使用。Wi-Fi模塊采用USRWIFI232B2。控制盒通過控制交流接觸器的開閉控制充電槽電源輸入或斷開。設(shè)備電氣模塊系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3.2 軟件部分

該設(shè)備的運行程序是基于手機與設(shè)備的數(shù)據(jù)交互設(shè)計的。控制盒接入電源后為電池充電槽供電，并接入電池槽RS485傳出的數(shù)據(jù)。控制盒通過Wi-Fi連接網(wǎng)絡(luò)，從服務(wù)器接收手機端遙控指令，實現(xiàn)電源開關(guān)動作，同時將RS485數(shù)據(jù)通過Wi-Fi上傳至服務(wù)器。用戶可獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)，實時掌握電池槽和電池的充電狀態(tài)。設(shè)備程序流程圖如圖2所示。

圖1 電氣模塊系統(tǒng)框圖

圖2 程序流程圖

3.3 結(jié)構(gòu)部分

無人機電池充電管理設(shè)備主要由充電槽、充電槽電源插頭、控制盒、RS485串口連接線和Wi-Fi天線組成。控制盒由電源適配器、交流電源接觸器、控制芯片和通信模塊等組成，通過RS485串口連接線連接充電槽進行控制。設(shè)備整體外觀比較簡潔，實用性較高。設(shè)備外觀結(jié)構(gòu)3D圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備外觀結(jié)構(gòu)3D圖

4 系統(tǒng)測試方案

4.1 測試方法

該設(shè)備主要需要測試的是充電槽輸出充電電源的穩(wěn)定性、手機應(yīng)用端和設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸及控制器的開閉控制。此次主要利用萬用表和手機，通過多次試驗進行測試。

4.2 測試過程

（1）通過手機應(yīng)用端讀取電池電量信息，測試控制盒能否穩(wěn)定反饋正確電量信息。

（2）通過手機應(yīng)用端開啟和關(guān)閉充電功能，測試控制盒能否穩(wěn)定進行開閉控制。

（3）在充電功能開啟的情況下，測試充電槽輸出端電壓及電流是否符合充電要求。

4.3 測試結(jié)果

通過多次測試得出，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、準確，所需功能都能夠準確實現(xiàn)，符合現(xiàn)實場景使用要求。

5 結(jié)束語

該無人機電池充電管理設(shè)備由手機應(yīng)用端和設(shè)備本體兩部分組成。設(shè)備不僅實現(xiàn)了充電槽的基本功能（包括預(yù)防電池過放功能），還具備充電槽過熱保護和狀態(tài)實時監(jiān)控雙重保護功能。通過控制器實時監(jiān)控充電槽狀態(tài)和置入電池實時電量等信息，可遠程控制充電槽斷電、遠程設(shè)定充電槽斷電時間等。通過使用該設(shè)備，能極大地提高無人機電池的管理水平，在提高工作效率的同時也保證了電池的安全性，在現(xiàn)代電力線路運檢需要大量電池的現(xiàn)實場景中，具有很好的使用效益，整體具備很好的推廣條件。