一種用于無(wú)人機(jī)的智能移動(dòng)充電器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李宇峰+黃深喜

摘要：由于傳統(tǒng)航模電池和無(wú)人機(jī)智能電池電池容量較小，在戶(hù)外充電又不方便的情況下飛行時(shí)間極其受限，鑒于此，本文提出并設(shè)計(jì)了一種無(wú)人機(jī)智能移動(dòng)充電器，該充電器最大的特點(diǎn)是容量大，相當(dāng)于攜帶3.3塊4480mAh@15. 2V的備用電池，本文詳細(xì)描述了該充電器各電路模塊的相關(guān)設(shè)計(jì)方法，給傳統(tǒng)航模電池和無(wú)人機(jī)智能電池充電這一技術(shù)問(wèn)題提供一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】大功率充電 電池均衡 電池保護(hù)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的興起，航拍逐漸進(jìn)入人們視野。由于電池技術(shù)的制約，不論是傳統(tǒng)的航模電池還是無(wú)人機(jī)智能電池，續(xù)航時(shí)間都較短，且航拍一般在野外進(jìn)行，很難獲取交流電來(lái)給電池充電，無(wú)疑給航拍帶來(lái)了極大不便。本文提出并設(shè)計(jì)了一種多功能智能移動(dòng)充電器，解決無(wú)人機(jī)在戶(hù)外無(wú)交流電的情況下，增加其飛行時(shí)間。

1 多功能移動(dòng)充電器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 多功能移動(dòng)充電器的系統(tǒng)組成

多功能移動(dòng)充電器其核心包含內(nèi)置電池充放電管理模塊、可根據(jù)電池電壓和容量配置的大功率充電模塊、MCU管理模塊、電池平衡模塊、顯示和按鍵模塊。如圖1所示，其內(nèi)部采用6片lOAh的鋰聚合物電芯，可通過(guò)220V交流對(duì)其進(jìn)行充電，同時(shí)，其本身又可以對(duì)外充電，其USB接口充電對(duì)象包括智能手機(jī)、飛機(jī)遙控器；充電插座可接航模電池組、無(wú)人機(jī)智能電池組。通過(guò)設(shè)計(jì)的充電及保護(hù)電路以及平衡電路達(dá)到對(duì)電池的智能化管理。

2 多功能智能充電器的模塊化設(shè)計(jì)

2.1 大功率充電模塊電路設(shè)計(jì)

大功率充電模塊是充電器的核心電路。如圖2所示。使用TI公司的型號(hào)為BQ24610的具有5V-28V輸入的獨(dú)立同步開(kāi)關(guān)模式鋰離子或鋰聚合物電池充電器芯片，芯片的1腳和2腳用于采樣電阻兩端的電壓，從而計(jì)算出流過(guò)的電流值。芯片的11腳通過(guò)電容接地，還連接到主控MCU的DA輸出引腳20腳，用于控制充電電流。R84、R87組成分壓電路連接到U4的15腳，用于設(shè)定最大充電電流。R83、R86組成分壓電路連接到U4的16腳，用于限制從充電器獲取的最大充電電流。U4的10腳通過(guò)電容C27接地，用于輸出VREF參考電壓，該電壓用于電池電壓采樣部分的參考電壓。U4的5腳和9腳提供充電狀態(tài)輸出。U4的21腳控制N溝道MOS管018，U4的19腳控制N溝道MOS管Q19，Q18、019、L2組成同步降壓電路，R85兩端的電壓經(jīng)過(guò)電容C29后，輸入到U4的13、14腳，用于測(cè)量充電電流值。U4的12腳是電壓反饋引腳，電阻R88、R91先組成一級(jí)默認(rèn)的分壓電路，主控MCU再根據(jù)選定的電池參數(shù)控制Ql、Q2，組合出不同電池電壓充電狀態(tài)。電容C30、C31為同步降壓電路的濾波電容。雙向瞬變抑制器Zl用于防止外部高壓損壞芯片U4。

2.2 外部電池平衡電路設(shè)計(jì)

外部電池平衡電路圖如圖3所示。外部電池組的每節(jié)電壓通過(guò)運(yùn)放采樣，把電池電壓信號(hào)傳給主控MCU的AD采樣引腳，主控MCU得到每節(jié)電池的電壓信息后，會(huì)通過(guò)一定的算法，對(duì)不平衡度超過(guò)某一范圍的電芯做旁路平衡處理。以Q15～Q17、R69、R71、R76～R79組成的某一路旁路電路為例，主控MCU通過(guò)電阻R72控制017的基極拉高，Q17導(dǎo)通后，會(huì)控制Q15導(dǎo)通，進(jìn)而控制Q16導(dǎo)通，這樣就相當(dāng)于把R76～R79并聯(lián)組成的負(fù)載電阻接入電芯兩端，從而減少流過(guò)相應(yīng)那一節(jié)電芯的電流。外部電池平衡電路包含5個(gè)這種類(lèi)似的電路，工作原理也類(lèi)似。

2.3 內(nèi)置電池充放電管理模塊電路設(shè)計(jì)

內(nèi)置電池充放電管理模塊同樣使用TI公司的型號(hào)為BQ24610的具有5V-28V輸入的獨(dú)立同步開(kāi)關(guān)模式鋰離子或鋰聚合物電池充電器芯片，工作原理和圖2大功率充電模塊類(lèi)似。值得一提的是，由于內(nèi)置電池的節(jié)數(shù)是確定的，因此只要設(shè)定好一個(gè)確定的反饋電壓即可選擇充電方式。

2.4 內(nèi)置電池平衡及保護(hù)模塊電路設(shè)計(jì)

內(nèi)置電池平衡和保護(hù)模塊電路與外部電池平衡電路所述的實(shí)例相似。N溝道MOS管組成對(duì)內(nèi)置電池的保護(hù)電路，當(dāng)內(nèi)置電池欠壓、過(guò)流時(shí)，主控MCU會(huì)控制MOS管，切斷內(nèi)置電池輸出。

2.5 主控MCU和按鍵顯示電路設(shè)計(jì)

主控MCU和按鍵、顯示部分電路采用ST公司的型號(hào)為STM32L072R8T6的微處理器芯片。主控MCU采用I2C接口與LCD顯示屏LCD2通信，通過(guò)IO口中斷采集按鍵信息。運(yùn)放采集內(nèi)置電池輸出電流信號(hào)，當(dāng)輸出電流過(guò)大或者短路時(shí)，主控MCU會(huì)切斷電池輸出，以保護(hù)內(nèi)置電池的安全。

3 多功能移動(dòng)充電器外觀及操作說(shuō)明

3.1 多功能移動(dòng)充電器外形結(jié)構(gòu)說(shuō)明

充電器的主體采用鋁合金型材，正而布置了LCD顯示屏和4個(gè)按鍵，右側(cè)而提供了充電器輸入接口，XT60大電流輸出接口，雙層USB輸出接口，3～6針電池平衡接口。整體外形簡(jiǎn)單大方，接口布置合理，操作方便，顯示明了。

3.2 多功能移動(dòng)充電器的操作說(shuō)明

實(shí)際使用時(shí)如果是給航模電池充電，可以通過(guò)顯示屏和按鍵，選擇正確的充電參數(shù)，按確認(rèn)鍵后，即會(huì)以最快充電速度給電池充電，充滿(mǎn)自動(dòng)停止。如果給USB設(shè)備充電，只要插入U(xiǎn)SB插頭，無(wú)需操作任何按鍵即可充電。設(shè)計(jì)的多功能智能移動(dòng)充電器，具有內(nèi)置電池容量大、輸出充電功率高、兼具電池平衡功能等特點(diǎn)，操作使用方便。

4 總結(jié)

本文提出并實(shí)現(xiàn)的多功能智能移動(dòng)充電器，相當(dāng)于攜帶3.3塊4480mAh@15.2V的備用電池。通過(guò)顯示菜單選擇合適的電池參數(shù)后，會(huì)自動(dòng)以最大充電速度給電池充電，最大化的減少充電時(shí)問(wèn)。充電過(guò)程中可以實(shí)時(shí)顯示充電電流、當(dāng)前電池電壓、剩余充電時(shí)問(wèn)等信息，方便用戶(hù)一目了然獲取充電信息。電池充滿(mǎn)后還有指示燈和蜂鳴器提示，便于提醒用戶(hù)。自帶電池平衡接口，可以給航模電池進(jìn)行智能平衡充放電，減少電池的充放電過(guò)程中的不平衡程度，延長(zhǎng)電池使用壽命。

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