基于全生命周期模型的多旋翼无人机电池充电技术分析

基于全生命周期模型的多旋翼无人机电池充电技术分析

唐杰,王佳,肖发扬

国网湖南省电力有限公司超高压输电公司 湖南衡阳  421000

摘要：随着科学技术的不断发展与进步，人们生活质量的不断提高，然而人们对多旋翼无人机也越来越关注。因此，为增强多旋翼无人机电池元件的基础续航时间，实现对输出电量的集中调度，提出一种基于全生命周期模型的多旋翼无人机电池监测方法。按照电池生命的消耗范围条件，获取周期性生命数据，进而实现对应用条件的混合型评价，完成多旋翼无人机电池消耗量的全生命周期建模。在此基础上，建立标准化的监测控制模块，根据剩余电量估算结果，平衡电源设备内部的配置信息，实现基于全生命周期模型多旋翼无人机电池监测方法研究。

关键词：全生命周期模型；多旋翼无人机；电池充电技术

引言

随着多旋翼无人机在输电行业的推广应用，多旋翼无人机电池作为续航保障的重要部件，成为了班组人员外出工作最必不可少的东西。电力行业多旋翼无人机驾驶员关注的是多旋翼无人机电池的高倍率放电性能、高低温存储、循环寿命及安全性能等问题。

1多旋翼无人机电池消耗量的全生命周期建模

1.1电池生命的消耗范围确定

电池生命消耗范围由平均消耗量、上限消耗参量、下限消耗参量3部分组成。平均消耗量是指多旋翼无人机电池在单位时间内的电力输出总量，作为生命消耗范围确定过程中的唯一标准量化条件，不因多旋翼无人机航行时间的增加而发生改变。与其他消耗性行为指标相比，平均消耗量具有更强的电量数据协调能力，在全生命周期模型中仅作为标准化参与系数，不会对最终应用消耗条件产生直接影响，常表示为y。上限消耗参量是多旋翼无人机电池生命消耗范围的最高约束条件，可在单位消耗时间内确定电池结构的最大电量输出条件，常表示为w。下限消耗参量是多旋翼无人机电池生命消耗范围的最低约束条件，可在单位消耗时间内确定电池结构的最小电量输出条件，常表示为w。

1.2周期性生命数据获取

周期性生命数据是电池生命消耗范围的补充说明条件，能够确保多旋翼无人机在既定监测时间内始终保持相对稳定的航行状态，进而使电池设备的输出电量处于集中调度状态。简单来说，周期性生命数据具备全生命周期模型的完整应用属性，可按照多旋翼无人机电池设备的电量传输水平，控制输出电量在既定监测时间内的应用消耗行为。而从信息性的角度来看，周期性生命数据的获取与多旋翼无人机航行时间、监测量偏移程度保持关联性影响。多旋翼无人机航行时间是一种固化结构数据，不受其它行为向量的影响，在不发生外力干扰的情况下，始终保持为|t|，是全生命周期模型中唯一保持独立应用能力的物理量。监测量偏移程度是描述多旋翼无人机电池结构的重要数据信息，具有较强的物理稳定性，不随电池生命消耗范围的改变而发生变化，常表示为η。

1.3混合性评价

混合性评价是多旋翼无人机电池消耗量全生命周期建模的末尾处理流程，可根据电池设备生命数据的消耗情况选择性规划范围参量的上、下限极值，进而使电力消耗量在短时间内保持相对稳定的传输状态。假设在额定航行期间内，多旋翼无人机电池设备始终具备良好的电子输出能力，则全生命周期内的消耗范围和数据条件均保持不变。根据多旋翼无人机的航行特性可知，电池电动机的转动必然造成旋翼轴动量的增加，从而产生一个足够巨大的上行推力。而旋翼总距则与其它物理条件不同，是多旋翼无人机的理论航行指标，仅受到转速和单轴向推力的影响，由于周期性生命数据的持续性稳定状态，旋翼总距将对多旋翼无人机电池设备产生量化性影响，即混合性评价指标。

2现存电池的缺点

（１）电力行业巡检时通常用工具袋携带多旋翼无人机电池，而工具袋里的杂物往往较多，这种携带方式会给巡检工作带来极大阻碍。（２）电力生产一线现场环境十分恶劣，电池经常被摔来摔去相互碰撞，异物、灰尘易进入电池芯内，造成电池芯故障、本体损坏。（３）夏季温度高，电池使用完毕后，如果不能及时散热就易导致电池鼓包、报废；冬季温度低，如果不能保证电池在户外的存储温度，电池电量就易骤减，威胁飞行安全；电池长时间在高温或低温环境中放置后，需将报警电压升高（如单片报警电压调至3.8V），因为在高温或低温环境下压降会非常快，报警一响就立即降落，使得多旋翼无人机的飞行时间大大缩短，严重影响工作效率。（４）电池需存储在干燥通风的环境内，雨季时用工具袋携带电池易进水，影响电池寿命。以上缺点都会极大降低多旋翼无人机电池的使用寿命，给巡检人员的工作造成困扰。

3基于全生命周期模型的多旋翼无人机电池充电技术策略

3.1多旋翼无人机电池充电模块

多旋翼无人机智能充电模块由开关电源、多旋翼无人机智能充电器和多旋翼无人机电池组组成，多旋翼无人机智能充电器开关电源输入为AC100-220V交流电源，输出为11V-32V直流电源，输出的直流电源接入多旋翼无人机智能充电器，该充电器能够提供功率为1140W的能量输出，满足市面是所有的多旋翼无人机电池的充电，最大的放电电流可以达到45A。

3.2系统参数采集模块

系统参数监测模块可以实时的采集整个智能电池充电柜内部的温湿度、充电电压、充电电流，通过以太网智能插座控制模块在HMI显示屏上面显示和上传至后台服务器。系统参数监测模块为整个充电系统提供工作的参数监测，为后台服务管理人员和现场管理人员提供系统控制的依据。

3.3显示模块与散热模块

多旋翼无人机电池充电柜温湿度监控系统显示如图5所示，监控系统界面的左上角实时的显示当前的通讯状况，当系统通讯异常时会进行报警提醒，界面还能显示充电柜内部的环境温度和湿度，一定范围的温湿度能否保障充电系统的正常工作，如果系统内部的环境温度过高就会进行高温报警，系统会自动开启散热系统进行自动散热降温，同时也可以通过触屏控制。

3.4后台服务器

后台服务器主要是实现多旋翼无人机电池智能充电系统远程控制功能，可以实现多组设备集中控制，只要设备通过路由器接入到公网当中，在设备管理中加入该设备的唯一序列号即可进行联网控制管理。可以实现单台设备的独立控制，也可以实现多台设备一起控制，实时的检测每一台设备当前的电压、电流和功率，并绘制图标与曲线。具有限制设定功能，包含电压、电流和功率超过预设保护和温度保护功能。具有云端在线日程，定时开关机。图标，名称修改，已经开机动作设定和多用户管理功能。

3.5测试与应用

多旋翼无人机智能充电管理系统整体测试前视图，多旋翼无人机智能充电管理系统机柜后视图，最上方为HMI显示屏，显示充电平台的系统参数，下方为多旋翼无人机智能充电器实时画面，可以通过菜单选择按钮进行充电电池类型、模式、充电电流等参数的设置，接着下方是两个充电电池放置窗口，一大一小两个电池正在充电过程中，最下面为电池存储区，总共分为6个放置区域，能够放置带充电和已经充满电的电池。整体功能测试完整，能够正常的进行工作。

结语

在全生命周期模型的作用下，多旋翼无人机电池的生命消耗范围、生命数据条件、混合评价结果均得到妥善处置，且特定监测控制模块能够根据剩余电量水平，平衡电源的配置状态，使机体可在短时间内达到稳定航行的物理状态。从实用性角度来看，电池元件的平均续航时间出现了大幅提升，输出电量调节调度得到了有效的集中处理。充分证明所研究的技术具有较高的广泛应用价值。

参考文献

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