一种用于无人机的智能移动充电器设计与实现

李宇峰+黄深喜

摘要：由于传统航模电池和无人机智能电池电池容量较小，在户外充电又不方便的情况下飞行时间极其受限，鉴于此，本文提出并设计了一种无人机智能移动充电器，该充电器最大的特点是容量大，相当于携带3.3块4480mAh@15. 2V的备用电池，本文详细描述了该充电器各电路模块的相关设计方法，给传统航模电池和无人机智能电池充电这一技术问题提供一定的参考价值。

【关键词】大功率充电 电池均衡 电池保护

随着无人机技术的兴起，航拍逐渐进入人们视野。由于电池技术的制约，不论是传统的航模电池还是无人机智能电池，续航时间都较短，且航拍一般在野外进行，很难获取交流电来给电池充电，无疑给航拍带来了极大不便。本文提出并设计了一种多功能智能移动充电器，解决无人机在户外无交流电的情况下，增加其飞行时间。

1 多功能移动充电器的系统设计

1.1 多功能移动充电器的系统组成

多功能移动充电器其核心包含内置电池充放电管理模块、可根据电池电压和容量配置的大功率充电模块、MCU管理模块、电池平衡模块、显示和按键模块。如图1所示，其内部采用6片lOAh的锂聚合物电芯，可通过220V交流对其进行充电，同时，其本身又可以对外充电，其USB接口充电对象包括智能手机、飞机遥控器；充电插座可接航模电池组、无人机智能电池组。通过设计的充电及保护电路以及平衡电路达到对电池的智能化管理。

2 多功能智能充电器的模块化设计

2.1 大功率充电模块电路设计

大功率充电模块是充电器的核心电路。如图2所示。使用TI公司的型号为BQ24610的具有5V-28V输入的独立同步开关模式锂离子或锂聚合物电池充电器芯片，芯片的1脚和2脚用于采样电阻两端的电压，从而计算出流过的电流值。芯片的11脚通过电容接地，还连接到主控MCU的DA输出引脚20脚，用于控制充电电流。R84、R87组成分压电路连接到U4的15脚，用于设定最大充电电流。R83、R86组成分压电路连接到U4的16脚，用于限制从充电器获取的最大充电电流。U4的10脚通过电容C27接地，用于输出VREF参考电压，该电压用于电池电压采样部分的参考电压。U4的5脚和9脚提供充电状态输出。U4的21脚控制N沟道MOS管018，U4的19脚控制N沟道MOS管Q19，Q18、019、L2组成同步降压电路，R85两端的电压经过电容C29后，输入到U4的13、14脚，用于测量充电电流值。U4的12脚是电压反馈引脚，电阻R88、R91先组成一级默认的分压电路，主控MCU再根据选定的电池参数控制Ql、Q2，组合出不同电池电压充电状态。电容C30、C31为同步降压电路的滤波电容。双向瞬变抑制器Zl用于防止外部高压损坏芯片U4。

2.2 外部电池平衡电路设计

外部电池平衡电路图如图3所示。外部电池组的每节电压通过运放采样，把电池电压信号传给主控MCU的AD采样引脚，主控MCU得到每节电池的电压信息后，会通过一定的算法，对不平衡度超过某一范围的电芯做旁路平衡处理。以Q15～Q17、R69、R71、R76～R79组成的某一路旁路電路为例，主控MCU通过电阻R72控制017的基极拉高，Q17导通后，会控制Q15导通，进而控制Q16导通，这样就相当于把R76～R79并联组成的负载电阻接入电芯两端，从而减少流过相应那一节电芯的电流。外部电池平衡电路包含5个这种类似的电路，工作原理也类似。

2.3 内置电池充放电管理模块电路设计

内置电池充放电管理模块同样使用TI公司的型号为BQ24610的具有5V-28V输入的独立同步开关模式锂离子或锂聚合物电池充电器芯片，工作原理和图2大功率充电模块类似。值得一提的是，由于内置电池的节数是确定的，因此只要设定好一个确定的反馈电压即可选择充电方式。

2.4 内置电池平衡及保护模块电路设计

内置电池平衡和保护模块电路与外部电池平衡电路所述的实例相似。N沟道MOS管组成对内置电池的保护电路，当内置电池欠压、过流时，主控MCU会控制MOS管，切断内置电池输出。

2.5 主控MCU和按键显示电路设计

主控MCU和按键、显示部分电路采用ST公司的型号为STM32L072R8T6的微处理器芯片。主控MCU采用I2C接口与LCD显示屏LCD2通信，通过IO口中断采集按键信息。运放采集内置电池输出电流信号，当输出电流过大或者短路时，主控MCU会切断电池输出，以保护内置电池的安全。

3 多功能移动充电器外观及操作说明

3.1 多功能移动充电器外形结构说明

充电器的主体采用铝合金型材，正而布置了LCD显示屏和4个按键，右侧而提供了充电器输入接口，XT60大电流输出接口，双层USB输出接口，3～6针电池平衡接口。整体外形简单大方，接口布置合理，操作方便，显示明了。

3.2 多功能移动充电器的操作说明

实际使用时如果是给航模电池充电，可以通过显示屏和按键，选择正确的充电参数，按确认键后，即会以最快充电速度给电池充电，充满自动停止。如果给USB设备充电，只要插入USB插头，无需操作任何按键即可充电。设计的多功能智能移动充电器，具有内置电池容量大、输出充电功率高、兼具电池平衡功能等特点，操作使用方便。

4 总结

本文提出并实现的多功能智能移动充电器，相当于携带3.3块4480mAh@15.2V的备用电池。通过显示菜单选择合适的电池参数后，会自动以最大充电速度给电池充电，最大化的减少充电时问。充电过程中可以实时显示充电电流、当前电池电压、剩余充电时问等信息，方便用户一目了然获取充电信息。电池充满后还有指示灯和蜂鸣器提示，便于提醒用户。自带电池平衡接口，可以给航模电池进行智能平衡充放电，减少电池的充放电过程中的不平衡程度，延长电池使用寿命。

参考文献

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