巡检无人机电池应急充电装置设计

国网安徽省电力有限公司检修分公司 万 能 汪 晓 宁 彦 焦玉平 吴晓春

巡检无人机的应用解放了大量的巡检人员，使巡检工作人员无需进入危险区域，保障了巡检人员的生命安全，又提高了巡检效率和巡检的准确率，但是巡检无人机普遍存在工作时间短、充电时间长的问题。为解决巡检无人机续航能力不足的问题，设计了巡检无人机电池应急充电装置。首先设计出巡检无人机电池应急充电装置的基本构架，完善AC/DC整流模块、AC/DC逆流模块、AC/DC充电模块之间能量相互转换的方式，以实现充电和放电的目的。根据以上构架详细设计巡检无人机电池应急充电装置的AC/DC整流和AC/DC逆变装置。设计对比实验，验证使用备用电池方式做应急充电设备的巡检无人机电池应急充电装置能够达到设计目的，确实节省了巡检时间，提高了巡检效率。

在工业与人口规模都在不断扩张的现代社会，无论是生活还是工业对于电量的需求都在不断增加，因此电网的规模也在迅速增长。传统的电网巡检采用人工方法，不但费时费力，还存在较高的错误率。因此在无人机技术能够应用于实际之后，巡检机器人被正式应用于电网巡检领域。电力公司采用巡检无人机进行电网巡检工作，不但能够迅速反应，节约人力物力，还能够不受干扰不怕危险地进入危险区域，不受到地形限制。但是由于高强度的作业，巡检无人机通常具备续航能力不足的隐患，一般的巡检无人机都只能一次性工作25-30min，一次充电满需要4-6h，完全无法承担繁重的电网巡检工作，通常只被用于重点区域的巡检。为了能够使巡检无人机满足电网巡检工作的需求，有一些电力公司在巡检无人机巡视电网的路途中设置了一种充电桩，并在巡检无人机的机身上安装接口与控制程序，使巡检无人机能够在电力不足时自动对准充电桩充电。但是这种自动充电的方式只是缩短了巡检无人机返回出发点充电的路途，仍然需要巡检无人机停下来补充电力，因此本文设计了一个能够使巡检无人机在行动过程中给电池应急充电的装置。首先需要进行巡检无人机电池应急充电装置基本构架的设计，搭建巡检无人机电池应急充电装置的基本机构，建立AC/DC整流模块、AC/DC逆流模块、AC/DC充电模块、APP外接设备智能充电模块，并设置充电和放电的基本方式。然后再分别具体设计AC/DC整流装置和AC/DC逆变装置，以此确定电压的输出范围以及增强电源的安全性和可靠性。最后设计仿真实验，将使用充电桩作为应急设备的巡检无人机电池应急充电装置与使用备用电池作为应急设备的巡检无人机电池应急充电装置进行对比，通过巡检时间的比较，确定本文设计的装置确实能够达到设计目的。

1 巡检无人机电池应急充电装置基本构架研究

巡检无人机电池应急充电装置主要在于在巡检无人机上安装一个备用电池，在巡检无人机主电池中的电量没有耗尽时，备用电池的开关处于断开状态，只有当主电池中的电量耗尽后，备用电池才会在智能系统的管理下打开开关，与巡检无人机相连接。因此在巡检无人机的电池应急充电装置中，最核心的系统就是应急充电电源管理系统。该系统的结构组成如图1所示。

图1 应急充电电源管理系统结构

如图1所示，巡检无人机的电池应急充电装置主要由发电机、电能接收器、AC/DC整流模块、AC/DC逆流模块、AC/DC充电模块、APP外接设备智能充电模块以及巡检无人机备用电池组成。在日常的电网检修或巡查过程中，往往没有大量的时间耗费在充电上，因此当巡检无人机中有备用电池可以一边行进一边充电时，就会非常方便。该系统的主要构架设计是将AC/DC整流模块、AC/DC逆流模块、AC/DC充电模块中的能量相互转换，以完成充电和放电的目的。

2 巡检无人机电池应急充电装置组成结构设计

2.1 AC/DC整流装置设计

在充电过程中，需要将巡检无人机的备用电池额外取出，固定在充电场所中，利用汽油发电机和AC/DC整流装置，将原本汽油发电机中产出的220V电压整流为24V的安全电压，输入进巡检无人机的备用电池中。备用电池一般使用锂电池组或铅酸蓄电池组，将充入的电量储存在电池中，为向外输电做出准备。整流装置的控制部分主要分为两个部分，其前级交错为并联的PFV控制芯片技术，主要应用于电压电流的保护与控制，后级全桥则是应用于输出电压的范围调节。

2.2 AC/DC逆变装置设计

在放电的过程中，既可以将巡检无人机停下，也可以在巡检无人机行进巡检的过程中持续放电。将已经充电完毕的备用电池所储存的24V直流电通过AC/DC充电模块输入进巡检无人机中，达成巡检无人机电池应急充电的目的。也可以通过AC/DC逆流装置，将已经储存在巡检无人机备用电池中的24V电压逆转为220V电压，与跟随巡检无人机同时前进的外设计算机相连，给笔记本电脑或平板电脑等设备充入220V电压。逆变装置的主电路采用前后隔离的技术手段，前路为升压电路，将电压升高到一定范围之后，再实现前后电路之间的隔离。后级电路为全桥逆变电路，一般应用于增强电源的安全可靠性能。

3 对比实验

在本文设计的备用电池应急充电方式之前，还有一种应急充电方式，即充电桩应急充电方式。充电桩应急充电主要是在巡检无人机的必经之路上提前设置若干充电桩，在巡检无人机电量不足时，无需返回出发点的主控机房进行充电，而是可以直接使用分布在道路两旁的充电桩进行应急充电，这样既可以省略往返的时间，又能够省略巡检无人机在路上所需的电量。但是即使是这样，对于耗电量极高，充电时间极长的巡检无人机来说也无法大幅度地提高巡检效率，因此上文中设计了一种理论上能够极大地增加巡检效率的应急充电装置。为了确保上文设计的应急充电装置确实较充电桩应急充电方式在巡检过程中所需时间更少，设计以下实验。

3.1 实验准备工作

本实验因场地问题只能在计算机中使用仿真软件进行仿真实验，需要提供以下的实验环境，如表1所示。

表1 实验仿真环境

本实验采用Flexsim作为仿真软件，通过Flexsim能够直接构建一个关于离散时间系统的仿真模型，以达到测算两种应急充电装置巡检时间的目的。首先需要规划电池电量的参数。设电池充电时间为100min，使用备用电池应急充电装置的巡检无人机中除主电池外还需配备两个备用电源，设每台电池从开始工作到电量耗尽需30min，一个电池的电量耗尽后，就会开启另一个备用电池的电源，两个备用电池的电量同样可以支持巡检无人机运行30min。如此一来，一台巡检无人机从开始运行到结束就能够连续运行1h30min。而使用充电桩应急充电装置进行应急充电的巡检无人机中，只配备一台主电池，则该类型的巡检无人机只能运行30min。然后需要规划巡检路线，在这条巡检路线上共有20个距离不一的虚拟电站，将各电站按顺序变为1-20号，设巡检无人机在电站中巡检所用的时间为5-7min不等，整条巡检路线的总长度需要巡检无人机行走90min，在巡检路线上设置若干充电桩，寻找充电桩需要1-3min不等，在本实验中会以随机数的形式存在。

3.2 实验结果分析

运行Flexsim程序，将得到的数据统计分析，得到如表2所示的实验结果。

表2 实验结果

如表2所示，在同样90min的巡检路线下，因为抽取随机数的差异，使用备用电池装置进行应急充电的巡检无人机在巡检过程中用时90min，使用充电桩装置进行应急充电的巡检无人机在巡检过程中用时88min，两者在整条巡检路线上的用时只有2min的差距。但是使用充电桩装置进行应急充电的巡检无人机在最终的总用时比较中约为使用备用电池装置进行应急充电的巡检无人机的2.4倍，传统的充电桩装置在巡检过程中所用的时间远远高于本文设计的装置，这些多出的时间全部都是在进行充电。因此可以判断，本文设计的使用备用电池装置进行应急充电的巡检无人机能够极大限度地缩短巡检无人机的充电时间，实现了设计的目的。

结束语：本文主要针对在用电量急剧增加的前提下，为了保障电网中巡检工作的顺利实施，使巡检人员无需进入危险区域，为了提高巡检的效率和准确率，放弃了以往的充电桩应急充电方式，改用备用电池的方式进行应急充电。设计了巡检无人机电池应急充电装置的基本构架，并详细规划了AC/DC整流装置和AC/DC逆变装置的结构设计。通过设计的对比实验可以明确，传统的充电桩应急充电方式，在巡检的效率上远不及本文设计的备用电池充电方式。且充电桩的应急充电过程中需要将插头与电源相对接，在这个过程中总是会出现对接不上的问题，导致无法及时充电。因此在日后的巡检无人机应急充电时，可以直接使用更具备实行性的备用电池充电方式。