許佳松 唐驥釗 李卓恒 陳栩杰

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕尾供電局（廣東 汕尾 516600）

0 研究背景

無(wú)人機(jī)巡檢是電網(wǎng)運(yùn)行檢修的主要手段之一。隨著機(jī)巡比重的不斷增加，無(wú)人機(jī)的數(shù)量越來(lái)越多，管理難度也越來(lái)越大，尤其是無(wú)人機(jī)普遍采用的高容量鋰電池存在過(guò)充過(guò)放風(fēng)險(xiǎn)，控制不好將縮短電池使用壽命，甚至引發(fā)燃爆事故。無(wú)人機(jī)電池通常采用多電芯串并形式，以實(shí)現(xiàn)較高的電壓電流輸出，每塊電池集成了獨(dú)立的充放電智能管理電路[1]。通常無(wú)人機(jī)充電可采用三種方式：（1）使用專(zhuān)用的電池充電器或電池管家為1～4塊電池充電。電池滿(mǎn)電后智能管理電路控制自動(dòng)停止充電，若電池一段時(shí)間沒(méi)有使用，電池自動(dòng)轉(zhuǎn)為存儲(chǔ)模式，管理電路控制電池自動(dòng)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(shí)，通過(guò)電池通信技術(shù)控制電池至存儲(chǔ)模式電量上限，避免電池長(zhǎng)期未使用出現(xiàn)過(guò)放情況，導(dǎo)致電芯提前衰退。（3）使用多個(gè)電池充電槽和控制中心組成的充電柜。該種方式能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌握所有電池電量情況，并控制電池充存模式，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守充電[2]。目前，通過(guò)Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)的智能插座、智能開(kāi)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(wú)人機(jī)充電技術(shù)存在的問(wèn)題

現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)充電技術(shù)存在以下問(wèn)題。

（1）多個(gè)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(gè)電池充電槽不支持充電過(guò)程遠(yuǎn)程監(jiān)控，在無(wú)人值守的情況下，大量鋰電池同時(shí)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(wú)法獲取電量信息，不便于電池計(jì)劃使用和應(yīng)急充電。

2 主要功能與工作過(guò)程

2.1 主要功能

無(wú)人機(jī)電池充電管理設(shè)備主要分為手機(jī)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(gè)部分。這三部分缺一不可，共同實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)電池充電管理設(shè)備的功能。

手機(jī)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(kāi)，控制充電狀態(tài)；控制程序主要是等待接收用戶(hù)的請(qǐng)求，隨時(shí)發(fā)送充電命令，并定時(shí)反饋電池電量狀態(tài)。

2.2 工作過(guò)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(guò)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(lèi)型為常開(kāi)，默認(rèn)情況下切斷電池充電槽的電源輸入，使其處于斷電狀態(tài)?？刂破髯鳛橄挛粰C(jī)通過(guò)通信模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，與服務(wù)器通信，用戶(hù)的手機(jī)上安裝應(yīng)用程序與服務(wù)器通信[3]。

需要遠(yuǎn)程控制充電槽充電時(shí)，用戶(hù)按下應(yīng)用程序中的啟動(dòng)按鈕，手機(jī)應(yīng)用程序發(fā)送請(qǐng)求至服務(wù)器，并由服務(wù)器作為上位機(jī)下發(fā)啟動(dòng)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(dòng)啟動(dòng)并為電池充電。在充電過(guò)程中，電池充電槽定時(shí)上傳充電狀態(tài)及進(jìn)度至控制器，并由控制器上傳至服務(wù)器保存，用戶(hù)可以在手機(jī)應(yīng)用程序上查看這些信息[4]。

充電完成后，用戶(hù)可以在手機(jī)應(yīng)用程序上點(diǎn)擊關(guān)閉按鈕，遠(yuǎn)程斷開(kāi)電池充電槽供電，避免電池充電槽故障導(dǎo)致電池過(guò)充等問(wèn)題，保障用電安全。

3 設(shè)計(jì)原理

無(wú)人機(jī)電池充電管理設(shè)備主要由硬件、軟件、結(jié)構(gòu)三個(gè)部分組成。

3.1 硬件部分

在控制盒中，采用的單片機(jī)為STM32F407VGT6，其為控制盒的核心控制器。單片機(jī)控制RS485通信、通信模塊和LED的顯示。因?yàn)镾TM32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?？刂坪型ㄟ^(guò)控制交流接觸器的開(kāi)閉控制充電槽電源輸入或斷開(kāi)。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(yùn)行程序是基于手機(jī)與設(shè)備的數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)的?？刂坪薪尤腚娫春鬄殡姵爻潆姴酃╇姡⒔尤腚姵夭跼S485傳出的數(shù)據(jù)。控制盒通過(guò)Wi-Fi連接網(wǎng)絡(luò)，從服務(wù)器接收手機(jī)端遙控指令，實(shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)動(dòng)作，同時(shí)將RS485數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi上傳至服務(wù)器。用戶(hù)可獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)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(wú)人機(jī)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?？刂坪杏呻娫催m配器、交流電源接觸器、控制芯片和通信模塊等組成，通過(guò)RS485串口連接線連接充電槽進(jìn)行控制。設(shè)備整體外觀比較簡(jiǎn)潔，實(shí)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(cè)試方案

4.1 測(cè)試方法

該設(shè)備主要需要測(cè)試的是充電槽輸出充電電源的穩(wěn)定性、手機(jī)應(yīng)用端和設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸及控制器的開(kāi)閉控制。此次主要利用萬(wàn)用表和手機(jī)，通過(guò)多次試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。

4.2 測(cè)試過(guò)程

（1）通過(guò)手機(jī)應(yīng)用端讀取電池電量信息，測(cè)試控制盒能否穩(wěn)定反饋正確電量信息。

（2）通過(guò)手機(jī)應(yīng)用端開(kāi)啟和關(guān)閉充電功能，測(cè)試控制盒能否穩(wěn)定進(jìn)行開(kāi)閉控制。

（3）在充電功能開(kāi)啟的情況下，測(cè)試充電槽輸出端電壓及電流是否符合充電要求。

4.3 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)多次測(cè)試得出，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、準(zhǔn)確，所需功能都能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，符合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

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