一种可远程控制的无人机电池充电管理设备

许佳松 唐骥钊 李卓恒 陈栩杰

广东电网有限责任公司汕尾供电局（广东 汕尾 516600）

0 研究背景

无人机巡检是电网运行检修的主要手段之一。随着机巡比重的不断增加，无人机的数量越来越多，管理难度也越来越大，尤其是无人机普遍采用的高容量锂电池存在过充过放风险，控制不好将缩短电池使用寿命，甚至引发燃爆事故。无人机电池通常采用多电芯串并形式，以实现较高的电压电流输出，每块电池集成了独立的充放电智能管理电路[1]。通常无人机充电可采用三种方式：（1）使用专用的电池充电器或电池管家为1～4块电池充电。电池满电后智能管理电路控制自动停止充电，若电池一段时间没有使用，电池自动转为存储模式，管理电路控制电池自动放电至40%～60%电量。（2）使用电池充电槽为10～20块电池充电。电池电量低于40%时，通过电池通信技术控制电池至存储模式电量上限，避免电池长期未使用出现过放情况，导致电芯提前衰退。（3）使用多个电池充电槽和控制中心组成的充电柜。该种方式能够远程实时掌握所有电池电量情况，并控制电池充存模式，实现无人值守充电[2]。目前，通过Wi-Fi联网的智能插座、智能开关已经被广泛应用在智能家居产品中，是较为成熟的物联网技术。

1 无人机充电技术存在的问题

现有的无人机充电技术存在以下问题。

（1）多个电池充电槽和控制中心组成的充电柜配置成本高，使用不够灵活。

（2）单个电池充电槽不支持充电过程远程监控，在无人值守的情况下，大量锂电池同时置于槽内充电，存在安全隐患。

（3）充电槽连接智能插座的情况只能控制充电槽通断电，无法获取电量信息，不便于电池计划使用和应急充电。

2 主要功能与工作过程

2.1 主要功能

无人机电池充电管理设备主要分为手机应用端、充电设备硬件控制电路、充电设备控制程序三个部分。这三部分缺一不可，共同实现无人机电池充电管理设备的功能。

手机应用端主要用于设置、记录和反馈充电槽的状态等；硬件控制电路主要控制电源端的输入和断开，控制充电状态；控制程序主要是等待接收用户的请求，随时发送充电命令，并定时反馈电池电量状态。

2.2 工作过程

该装置采用常用220V 交流电供电，总电源输入后分为两路，一路经过电源适配器降压后为控制器供电，另一路接入交流接触器。交流接触器控制类型为常开，默认情况下切断电池充电槽的电源输入，使其处于断电状态。控制器作为下位机通过通信模块接入互联网，与服务器通信，用户的手机上安装应用程序与服务器通信[3]。

需要远程控制充电槽充电时，用户按下应用程序中的启动按钮，手机应用程序发送请求至服务器，并由服务器作为上位机下发启动指令至控制器，控制器接收指令后，控制交流接触器触发，使电源输入电池充电槽，电池充电槽自动启动并为电池充电。在充电过程中，电池充电槽定时上传充电状态及进度至控制器，并由控制器上传至服务器保存，用户可以在手机应用程序上查看这些信息[4]。

充电完成后，用户可以在手机应用程序上点击关闭按钮，远程断开电池充电槽供电，避免电池充电槽故障导致电池过充等问题，保障用电安全。

3 设计原理

无人机电池充电管理设备主要由硬件、软件、结构三个部分组成。

3.1 硬件部分

在控制盒中，采用的单片机为STM32F407VGT6，其为控制盒的核心控制器。单片机控制RS485通信、通信模块和LED的显示。因为STM32的供电电压是3.3 V，所以采用AMS1117降压芯片将电池电压稳定到主芯片所需电压芯片。在RS485通信电路中，通常采用ADM2483差分总线收发器与STM32连接使用。Wi-Fi模块采用USRWIFI232B2。控制盒通过控制交流接触器的开闭控制充电槽电源输入或断开。设备电气模块系统框图如图1所示。

3.2 软件部分

该设备的运行程序是基于手机与设备的数据交互设计的。控制盒接入电源后为电池充电槽供电，并接入电池槽RS485传出的数据。控制盒通过Wi-Fi连接网络，从服务器接收手机端遥控指令，实现电源开关动作，同时将RS485数据通过Wi-Fi上传至服务器。用户可获取服务器数据，实时掌握电池槽和电池的充电状态。设备程序流程图如图2所示。

图1 电气模块系统框图

图2 程序流程图

3.3 结构部分

无人机电池充电管理设备主要由充电槽、充电槽电源插头、控制盒、RS485串口连接线和Wi-Fi天线组成。控制盒由电源适配器、交流电源接触器、控制芯片和通信模块等组成，通过RS485串口连接线连接充电槽进行控制。设备整体外观比较简洁，实用性较高。设备外观结构3D图如图3所示。

图3 设备外观结构3D图

4 系统测试方案

4.1 测试方法

该设备主要需要测试的是充电槽输出充电电源的稳定性、手机应用端和设备的数据传输及控制器的开闭控制。此次主要利用万用表和手机，通过多次试验进行测试。

4.2 测试过程

（1）通过手机应用端读取电池电量信息，测试控制盒能否稳定反馈正确电量信息。

（2）通过手机应用端开启和关闭充电功能，测试控制盒能否稳定进行开闭控制。

（3）在充电功能开启的情况下，测试充电槽输出端电压及电流是否符合充电要求。

4.3 测试结果

通过多次测试得出，数据传输稳定、准确，所需功能都能够准确实现，符合现实场景使用要求。

5 结束语

该无人机电池充电管理设备由手机应用端和设备本体两部分组成。设备不仅实现了充电槽的基本功能（包括预防电池过放功能），还具备充电槽过热保护和状态实时监控双重保护功能。通过控制器实时监控充电槽状态和置入电池实时电量等信息，可远程控制充电槽断电、远程设定充电槽断电时间等。通过使用该设备，能极大地提高无人机电池的管理水平，在提高工作效率的同时也保证了电池的安全性，在现代电力线路运检需要大量电池的现实场景中，具有很好的使用效益，整体具备很好的推广条件。