巡检无人机应急充电电源管理系统设计研究

巡检无人机应急充电电源管理系统设计研究

李晨

西安爱生技术集团有限公司 陕西西安 710065

摘要：无人机巡检具有迅速快捷、不受地形环境限制、工作效率高、机动灵活等优点。但无人机巡检的续航能力较差，一般小型无人机电池续航能力为15~30min，且日常不能满电保存。在发生自然灾害(如台风、暴雨等)后的电力线路巡检中，需要无人机立即出动，且进行高强度、高频次巡检，但现有的无人机充电电源管理系统充电装置采用一对一方式，充满时间为3~5h，且无法在外出巡检中进行应急充电，难以满足灾后无人机应急充电的需求。本文针对巡检无人机应急充电电源管理系统设计进行了分析。

关键词：巡检无人机；应急充电；电源管理系统

一、巡检无人机车载应急充电电源管理系统原理

1.1系统组成

巡检无人机车载应急充电电源管理系统主要是由汽油发电机、电源供应器(铅酸蓄电池组)、整流模块、逆变模块、充电模块、无人机负载锂电池电压智能充电管理模块、手机APP组成。系统充电装置固定于车载平台中，在日常检修、奔赴应急抢险途中和到达目的地后进行应急充电。该系统的主要功能是通过整流、逆变及充电装置进行能量转换，主要分为灾备后行进途中的充电功能和到达目的地后的现场充电功能。如图1所示

行进途中的充电功能:在灾备应急车行进途中对无人机电池进行充电，将已充电的铅酸蓄电池组的24V直流电通过DC/DC充电装置直接给无人机锂电池组充电，同时也可利用DC/AC逆变装置逆变成220V交流电，供车辆行进过程中灾备应急人员携带的需220V交流电的设备(如笔记本电脑)进行充电。灾备现场的充电功能:在灾备现场利用汽油发电机通过AC/DC整流装置，将220V交流电整流为24V直流电给DC/DC充电装置提供电源，用于无人机锂电池组充电。同时AC/DC整流装置也可对铅酸蓄电池组进行充电。

1.2 AC/DC整流装置原理

无人机充电电源柜常放置在汽车上，故电源的抗震性、密闭性、温度范围等都是要考虑的内容。其次该充电电源管理系统工作环境常在户外，因此需要电源具备工作效率高、电网谐波低、输入输出稳定、体积小、输出功率等级相对大等特点。为克服蓄电池充电时，蓄电池两端电压随电池电量而变化，本设计的AC/DC整流装置还具有输出电压范围宽的特点。

1.3 DC/AC逆变装置原理

DC/AC逆变装置的功能是将车载携带的铅酸蓄电池组输出的24V直流电转化为220V交流电，供给笔记本电脑等交流负载。铅酸蓄电池组所产生的24V直流电，进入推挽升压电路，通过PWM控制，使其输出直流高压。将直流高压送后级的全桥逆变电路，从而将其转变为220V50Hz交流电。通过LC滤波器可将消去全桥逆变电路输出电压中夹带的高次谐波，从而便于交流负载使用。

二、AC/DC整流装置

2.1AC/DC整流装置设计

2.1.1硬件设计

硬件部分主要由输入滤波、交错并联PFC、全桥LLC谐振变换器、输出整流、输出滤波、数字控制、辅助电源、驱动模块、采样模块所组成。根据能量转换原理，又可分为两级，如图2所示。

图2  AC/DC变换电路主电路

前级AC/DC采用交错并联BoostPFC整流技术，使整个装置能够在增大功率的同时增大功率密度，且具有较小的电流纹波。后级DC/DC采用全桥LLC谐振变换器，使其不仅能够实现原边功率开关管全负载范围内的ZVS开通，也能实现副边整流二极管的ZCS关断，同时还具备宽电压输出，提高了充电设备的整机效率。

2.1.2控制设计

控制部分设计对应分为两个部分，前级交错并联PFC控制采用数字控制芯片TMS320F28033型DSP，实现电压电流检测、控制、保护等功能。后级全桥LLC谐振变换器控制采用TMS320F28035型DSP芯片，从而实现输出电压的宽范围调节以及较低纹波的直流电压。DSP的处理信号速度足够快，可以使整个充电设备控制灵活，实时性高，从而使整个充电电源管理系统的稳定性能提高。

2.2 AC/DC整流装置实验结果分析

测试条件为220V交流输入，满载输出，实验结果如图3所示。系统设计要求最大输出功率:1.6kW，输出直流电压24V。图3(a)和图3(b)分别为输出电压启动波形和输出电压稳态波形。从图3(a)可以看出整流设备启动时，电压过冲幅值较小，且能快速到达额定输出值。图3(b)表明输出电压稳态值约为23.3V，图3(c)所示为输出电压纹波，从图中可以看出纹波峰－峰值为34。2mV，说明电压波动范围较小，输出直流电质量较高，基本满足设计指标。图3(d)为整流装置的最终实物图。

图3 AC/DC 整流装置实验结果图

三、结语

针对灾后无人机应急充电管理需求，提出基于整流逆变与TCP/IP技术的无人机灾备车载应急充电电源管理系统研制。采用交错并联PFC和远程APP，研制无人机灾备车载应急充电电源管理系统。在灾备行进途中或灾备现场，对不同厂家、不同型号无人机(锂电池)或交流负载实现应急充电及充电装置的远程APP监控管理，有效解决无人机在外出巡检时无法进行应急充电续航问题，大幅度扩大无人机的续航能力和巡航范围，缩短灾后紧急外出巡检的准备时间，对灾后无人机巡检起到重要的保障作用。此外，对其它无人机野外作业现场的电池能量持续供电也具有保障作用。

参考文献:

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