林火煅，陳 杰，沈 濱，孫 嬙，李文院，繆希仁

(1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司，福建 漳州 363000; 2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

電網(wǎng)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的人工巡檢需要耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和財(cái)力，這種方式成本高且效率低.為克服傳統(tǒng)人工巡檢的不足，鑒于無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，電力企業(yè)開(kāi)始采用無(wú)人機(jī)沿線巡檢[1-5].無(wú)人機(jī)巡檢具有迅速快捷、不受地形環(huán)境限制、工作效率高、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)[6].但無(wú)人機(jī)巡檢的續(xù)航能力較差，一般小型無(wú)人機(jī)電池續(xù)航能力為15～30 min[7]，且日常不能滿電保存.在發(fā)生自然災(zāi)害(如臺(tái)風(fēng)、暴雨等)后的電力線路巡檢中，需要無(wú)人機(jī)立即出動(dòng)，且進(jìn)行高強(qiáng)度、高頻次巡檢，但現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)充電電源管理系統(tǒng)充電裝置采用一對(duì)一方式，充滿時(shí)間為3～5 h，且無(wú)法在外出巡檢中進(jìn)行應(yīng)急充電，難以滿足災(zāi)后無(wú)人機(jī)應(yīng)急充電的需求.

目前，應(yīng)急充電技術(shù)主要的應(yīng)用場(chǎng)合多為電動(dòng)車(chē)系統(tǒng)、數(shù)碼電子裝置等系統(tǒng)，電池管理的概念常用于大型的電動(dòng)車(chē)電池、大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)電池管理，無(wú)人機(jī)的電池應(yīng)急充電和電源管理系統(tǒng)目前關(guān)注較少.樊海軍等[8]設(shè)計(jì)了一種基于XC866單片機(jī)控制的鋰電池組管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)充放電控制和均衡控制，但該系統(tǒng)功能單一，不能應(yīng)對(duì)緊急情況下對(duì)220 V負(fù)載充電的需求.王碩等[9]設(shè)計(jì)一種基于CAN總線的鋰離子電池組充電管理系統(tǒng)，采用克服死區(qū)的PI增量算法，實(shí)現(xiàn)了電池單體狀態(tài)檢測(cè)，提高了控制精度，但其充電時(shí)間>4 h，無(wú)法滿足災(zāi)后無(wú)人機(jī)應(yīng)急巡檢需求.文[10]中提出利用TCP/IP技術(shù)建立的電源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人值守，減少維護(hù)人員的工作量，提高維護(hù)質(zhì)量.

針對(duì)無(wú)人機(jī)災(zāi)后等應(yīng)急搶險(xiǎn)等工程實(shí)際需要，克服現(xiàn)有充電電源管理系統(tǒng)的局限性，本研究提出基于整流逆變技術(shù)的巡檢無(wú)人機(jī)車(chē)載充電電源管理系統(tǒng)，采用交錯(cuò)并聯(lián)PFC設(shè)計(jì)和TCP/IP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同廠家、不同型號(hào)無(wú)人機(jī)(鋰電池)的應(yīng)急充電，對(duì)災(zāi)備行進(jìn)途中或?yàn)?zāi)備現(xiàn)場(chǎng)交流負(fù)載的應(yīng)急充電，對(duì)充電裝置的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程管理.

1 巡檢無(wú)人機(jī)車(chē)載應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)組成

巡檢無(wú)人機(jī)車(chē)載應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng)主要是由汽油發(fā)電機(jī)、電源供應(yīng)器(鉛酸蓄電池組)、整流模塊、逆變模塊、充電模塊、無(wú)人機(jī)負(fù)載鋰電池電壓智能充電管理模塊、手機(jī)APP組成.系統(tǒng)充電裝置固定于車(chē)載平臺(tái)中，在日常檢修、奔赴應(yīng)急搶險(xiǎn)途中和到達(dá)目的地后進(jìn)行應(yīng)急充電.該系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)整流、逆變及充電裝置進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，主要分為災(zāi)備后行進(jìn)途中的充電功能和到達(dá)目的地后的現(xiàn)場(chǎng)充電功能.無(wú)人機(jī)應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.

圖1 無(wú)人機(jī)應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure composition of emergency charging power management system for UAV

行進(jìn)途中的充電功能： 在災(zāi)備應(yīng)急車(chē)行進(jìn)途中對(duì)無(wú)人機(jī)電池進(jìn)行充電，將已充電的鉛酸蓄電池組的24 V直流電通過(guò)DC/DC充電裝置直接給無(wú)人機(jī)鋰電池組充電，同時(shí)也可利用DC/AC逆變裝置逆變成220 V交流電，供車(chē)輛行進(jìn)過(guò)程中災(zāi)備應(yīng)急人員攜帶的需220 V交流電的設(shè)備(如筆記本電腦)進(jìn)行充電.

災(zāi)備現(xiàn)場(chǎng)的充電功能： 在災(zāi)備現(xiàn)場(chǎng)利用汽油發(fā)電機(jī)通過(guò)AC/DC整流裝置，將220 V交流電整流為24 V直流電給DC/DC充電裝置提供電源，用于無(wú)人機(jī)鋰電池組充電.同時(shí)AC/DC整流裝置也可對(duì)鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電.

對(duì)比現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)電源管理系統(tǒng)，本研究設(shè)計(jì)的巡檢無(wú)人機(jī)車(chē)載應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性，如表1所示.在充電速度上，巡檢無(wú)人機(jī)車(chē)載應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng)有很大的提升；在安全性上，通過(guò)溫度監(jiān)控以及遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高充電安全；在應(yīng)急需求方面，通過(guò)一對(duì)多充電配合快速充電滿足應(yīng)急需求；在日常維護(hù)方面，對(duì)電池進(jìn)行充放電管理，加上遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)提高安全性的同時(shí)降低人力成本.在充電場(chǎng)景方面，巡檢無(wú)人機(jī)車(chē)載應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng)固定在車(chē)載平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)行進(jìn)途中以及外出現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急充電，從而更好地滿足災(zāi)后無(wú)人機(jī)巡檢需求.

表1 巡檢無(wú)人機(jī)車(chē)載應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng)與現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)電源管理系統(tǒng)對(duì)比

1.2 AC/DC整流裝置原理

無(wú)人機(jī)充電電源柜常放置在汽車(chē)上，故電源的抗震性、密閉性、溫度范圍等都是要考慮的內(nèi)容.其次該充電電源管理系統(tǒng)工作環(huán)境常在戶外，因此需要電源具備工作效率高、電網(wǎng)諧波低、輸入輸出穩(wěn)定、體積小、輸出功率等級(jí)相對(duì)大等特點(diǎn).為克服蓄電池充電時(shí)，蓄電池兩端電壓隨電池電量而變化，本設(shè)計(jì)的AC/DC整流裝置還具有輸出電壓范圍寬的特點(diǎn).AC/DC整流裝置的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 AC/DC 整流裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure diagram of AC/DC rectifier

1.3 DC/AC逆變裝置原理

圖3 DC/AC 逆變裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of DC/AC inverter

DC/AC逆變裝置的功能是將車(chē)載攜帶的鉛酸蓄電池組輸出的24 V直流電轉(zhuǎn)化為220 V交流電，供給筆記本電腦等交流負(fù)載.DC/AC逆變裝置主要是由四部分組成，如圖3所示.鉛酸蓄電池組所產(chǎn)生的24 V直流電，進(jìn)入推挽升壓電路，通過(guò)PWM控制，使其輸出直流高壓.將直流高壓送后級(jí)的全橋逆變電路，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V 50 Hz交流電.通過(guò)LC濾波器可將消去全橋逆變電路輸出電壓中夾帶的高次諧波，從而便于交流負(fù)載使用.

1.4 智能充電管理模塊裝置原理

充電裝置在能量轉(zhuǎn)換模塊的基礎(chǔ)上，增加了智能充電管理模塊.目前常用的無(wú)人機(jī)負(fù)載鋰電池規(guī)格一般為3、4、6 s.不同廠家或者不同型號(hào)的無(wú)人機(jī)，對(duì)充電適配器的充電電壓要求不一樣，為了實(shí)現(xiàn)同一充電裝置對(duì)不同無(wú)人機(jī)的充電，設(shè)計(jì)的充電裝置具有根據(jù)實(shí)際的無(wú)人機(jī)鋰電池特性，可自動(dòng)調(diào)整輸出電壓的特點(diǎn).

智能充電管理模塊通過(guò)識(shí)別無(wú)人機(jī)電池的平衡頭，從而識(shí)別對(duì)應(yīng)型號(hào)的電池，選擇對(duì)應(yīng)的充電參數(shù)，對(duì)電池進(jìn)行均衡充電.如3 s的電池是由3個(gè)3.7 V電池串聯(lián)構(gòu)成，滿電時(shí)電池對(duì)外呈現(xiàn)13 V左右，每節(jié)電池4.2 V.均衡充電就是將交流電變壓、整流得到13 V的直流電，利用3個(gè)電解電容、均壓電阻對(duì)13 V分壓，每個(gè)電容上就得到了4.33 V，再用三極管搭建一個(gè)閉環(huán)電路，從而控制充電的開(kāi)關(guān)以及電流大小，實(shí)現(xiàn)每節(jié)電池均衡充電.此外，智能充電管理模塊通過(guò)TCP/IP通訊技術(shù)與手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控管理.

2 AC/DC整流裝置

AC/DC整流模塊主要功能是將車(chē)載汽油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的不穩(wěn)定電壓的交流電整流為幅值為24 V的直流電，供給DC/DC充電裝置，用于無(wú)人機(jī)鋰電池組充電.同時(shí)AC/DC整流裝置也可對(duì)鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電.

2.1 AC/DC整流裝置設(shè)計(jì)

2.1.1硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要由輸入濾波、交錯(cuò)并聯(lián)PFC、全橋LLC諧振變換器、輸出整流、輸出濾波、數(shù)字控制、輔助電源、驅(qū)動(dòng)模塊、采樣模塊所組成.根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，又可分為兩級(jí)，如圖4所示.

圖4 AC/DC變換電路主電路Fig.4 Main circuit of AC/DC converter circuit

前級(jí) AC/DC 采用交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC整流技術(shù)，使整個(gè)裝置能夠在增大功率的同時(shí)增大功率密度，且具有較小的電流紋波.后級(jí) DC/DC 采用全橋LLC諧振變換器，使其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)原邊功率開(kāi)關(guān)管全負(fù)載范圍內(nèi)的ZVS開(kāi)通，也能實(shí)現(xiàn)副邊整流二極管的ZCS關(guān)斷，同時(shí)還具備寬電壓輸出，提高了充電設(shè)備的整機(jī)效率[11].

在交錯(cuò)并聯(lián)PFC電路中，S1和S2開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通占空比相同，其中S2的驅(qū)動(dòng)波形滯后S1半個(gè)開(kāi)關(guān)周期.因此，雖然單個(gè)BOOST電路的電感電流是斷續(xù)的，但合成后的PFC變換器的輸入電流卻是連續(xù)的，由此既保留了PFC電路中開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通以及輸入功率因數(shù)接近于1的特性，也使整個(gè)電路呈現(xiàn)CCM模式，每一路開(kāi)關(guān)器件通過(guò)的電流僅為輸入電流的一部分，多個(gè)開(kāi)關(guān)管錯(cuò)時(shí)分擔(dān)輸入電流降低了開(kāi)關(guān)管的容量要求.同時(shí)PFC電路中的兩個(gè)電感交錯(cuò)工作，因此兩路電感電流疊加時(shí)紋波相消，從而減小輸入電流紋波.相比于傳統(tǒng)PFC電路，交錯(cuò)并聯(lián)PFC電路提高了輸入電流紋波頻率，減小輸入電流紋波幅值，有效降低了輸入電流的高頻諧波含量，降低了濾波器的設(shè)計(jì)難度.

2.1.2控制設(shè)計(jì)

控制部分設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)分為兩個(gè)部分，前級(jí)交錯(cuò)并聯(lián)PFC控制采用數(shù)字控制芯片TMS320F28033型DSP，實(shí)現(xiàn)電壓電流檢測(cè)、控制、保護(hù)等功能.后級(jí)全橋LLC諧振變換器控制采用TMS320F28035 型DSP芯片，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)以及較低紋波的直流電壓.DSP的處理信號(hào)速度足夠快，可以使整個(gè)充電設(shè)備控制靈活，實(shí)時(shí)性高，從而使整個(gè)充電電源管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性能提高.

圖5 兩級(jí)PFC技術(shù)框圖Fig.5 Two-stage PFC technical block diagram

AC/DC整流裝置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一是交錯(cuò)并聯(lián)PFC控制.單級(jí)PFC變換結(jié)構(gòu)存在輸出電壓范圍小的不足，且功率因素、諧波、效率等都難以滿足設(shè)計(jì)要求，故采用具有PFC功率因素校正技術(shù)的兩級(jí)變換器結(jié)構(gòu)，達(dá)到AC/DC 整流裝置高功率因數(shù)、低諧波的效果.后級(jí)DC/DC充電裝置將PFC母線直流電通過(guò)各種不同的拓?fù)滢D(zhuǎn)變成交流電，再通過(guò)變壓器、整流電路將其轉(zhuǎn)換成直流電，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)以及低紋波的直流電壓.兩級(jí)PFC技術(shù)框圖如圖5所示.

2.2 AC/DC整流裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試條件為220 V交流輸入，滿載輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求最大輸出功率： 1.6 kW，輸出直流電壓 24 V.圖6(a)和圖6(b)分別為輸出電壓?jiǎn)?dòng)波形和輸出電壓穩(wěn)態(tài)波形.從圖6(a)可以看出整流設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，電壓過(guò)沖幅值較小，且能快速到達(dá)額定輸出值.圖6(b)表明輸出電壓穩(wěn)態(tài)值約為23.3 V，圖6(c)所示為輸出電壓紋波，從圖中可以看出紋波峰-峰值為34.2 mV，說(shuō)明電壓波動(dòng)范圍較小，輸出直流電質(zhì)量較高，基本滿足設(shè)計(jì)指標(biāo).圖6(d)為整流裝置的最終實(shí)物圖.

圖6 AC/DC整流裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.6 Experimental results of AC/DC rectifier

3 DC/AC逆變裝置

設(shè)計(jì)的充電電源管理系統(tǒng)的DC/AC逆變裝置為用單片機(jī)控制的正弦波輸出逆變電源，以車(chē)載蓄電池組輸出的24 V直流電作為輸入，輸出220 V的正弦波交流電，以滿足在行車(chē)途中筆記本等交流負(fù)載的供電需求.

3.1 DC/AC逆變裝置設(shè)計(jì)

逆變裝置主電路采用前后級(jí)隔離設(shè)計(jì)，如圖7所示.前級(jí)為推挽升壓電路，通過(guò)高頻變壓器升壓，從而實(shí)現(xiàn)前后級(jí)的隔離.控制電路采用UC2846芯片，利用變壓器進(jìn)行采樣，從而實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制.后級(jí)為全橋逆變電路，采用單極性SPWM調(diào)制方式，由單片機(jī)PIC18F2331控制驅(qū)動(dòng)電路對(duì)逆變橋的4個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行正弦脈寬調(diào)制，直流電壓經(jīng)過(guò)逆變電路輸出后，最終在負(fù)載上得到指定頻率與幅值的正弦波.在保護(hù)方面，通過(guò)電壓，電流檢測(cè)裝置采集輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)輸入過(guò)/欠壓保護(hù)、短路保護(hù)等多重保護(hù)，增強(qiáng)了該電源的可靠性和安全性.

圖7 DC/AC逆變裝置主電路原理圖Fig.7 Principle diagram of main circuit of DC/AC Inverters

3.2 DC/AC逆變裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)系統(tǒng)實(shí)物電路進(jìn)行測(cè)試，如圖8所示.其中，圖8(a)按從上到下分別為開(kāi)關(guān)管S3，S5，S4，S6的驅(qū)動(dòng)波形，圖8(b)為逆變裝置的輸入輸出電壓波形，圖8(c)為逆變裝置的最終實(shí)物圖.系統(tǒng)要求輸入電壓24 V直流電壓，輸出電壓為220 V 50 Hz交流電壓，圖8(b)中的藍(lán)色波形為輸入直流波形，紅色為輸出交流波形，測(cè)試結(jié)果顯示，輸入電壓基本穩(wěn)定于24 V，輸出電壓頻率在50 Hz,有效值約212 V，基本滿足設(shè)計(jì)指標(biāo).

圖8 DC/AC逆變裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.8 Experimental results of DC/AC Inverters

4 手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控

自然災(zāi)害后無(wú)人機(jī)需盡快進(jìn)行巡檢，而電池日常不能滿電保存，采用手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制其立刻充電可縮短出發(fā)時(shí)間.無(wú)人機(jī)電池不能過(guò)充、過(guò)放，電池的日常維護(hù)可提高電池的使用壽命.設(shè)計(jì)的APP還提供充/放電狀態(tài)、充/放電次數(shù)以及充/放電遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)電池日常維護(hù)的自動(dòng)化管理，有效降低電池管理的人力和時(shí)間成本，大幅度減輕無(wú)人機(jī)維護(hù)的工作量.

手機(jī)APP采用Android開(kāi)發(fā)，界面采用極簡(jiǎn)風(fēng)格和平面化設(shè)計(jì).TCP/IP協(xié)議是一種面向連接的高效以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，具有較好的穩(wěn)定性與安全可靠性[12].利用TCP/IP通信協(xié)議，可將充電裝置中的智能充電管理模塊采集到的電池電壓電流信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程APP控制界面，同時(shí)也可在APP端控制電池充放電，從而實(shí)現(xiàn)災(zāi)后巡檢無(wú)人機(jī)電池管理.

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)災(zāi)后無(wú)人機(jī)應(yīng)急充電管理需求，提出基于整流逆變與TCP/IP技術(shù)的無(wú)人機(jī)災(zāi)備車(chē)載應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng)研制.采用交錯(cuò)并聯(lián)PFC和遠(yuǎn)程APP，研制無(wú)人機(jī)災(zāi)備車(chē)載應(yīng)急充電電源管理系統(tǒng).在災(zāi)備行進(jìn)途中或?yàn)?zāi)備現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)不同廠家、不同型號(hào)無(wú)人機(jī)(鋰電池)或交流負(fù)載實(shí)現(xiàn)應(yīng)急充電及充電裝置的遠(yuǎn)程APP監(jiān)控管理，有效解決無(wú)人機(jī)在外出巡檢時(shí)無(wú)法進(jìn)行應(yīng)急充電續(xù)航問(wèn)題，大幅度擴(kuò)大無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力和巡航范圍，縮短災(zāi)后緊急外出巡檢的準(zhǔn)備時(shí)間，對(duì)災(zāi)后無(wú)人機(jī)巡檢起到重要的保障作用.此外，對(duì)其它無(wú)人機(jī)野外作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電池能量持續(xù)供電也具有保障作用.