一種用于無人機的智能移動充電器設計與實現

李宇峰+黃深喜

摘要：由于傳統航模電池和無人機智能電池電池容量較小，在戶外充電又不方便的情況下飛行時間極其受限，鑒于此，本文提出并設計了一種無人機智能移動充電器，該充電器最大的特點是容量大，相當于攜帶3.3塊4480mAh@15. 2V的備用電池，本文詳細描述了該充電器各電路模塊的相關設計方法，給傳統航模電池和無人機智能電池充電這一技術問題提供一定的參考價值。

【關鍵詞】大功率充電 電池均衡 電池保護

隨著無人機技術的興起，航拍逐漸進入人們視野。由于電池技術的制約，不論是傳統的航模電池還是無人機智能電池，續航時間都較短，且航拍一般在野外進行，很難獲取交流電來給電池充電，無疑給航拍帶來了極大不便。本文提出并設計了一種多功能智能移動充電器，解決無人機在戶外無交流電的情況下，增加其飛行時間。

1 多功能移動充電器的系統設計

1.1 多功能移動充電器的系統組成

多功能移動充電器其核心包含內置電池充放電管理模塊、可根據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，其內部采用6片lOAh的鋰聚合物電芯，可通過220V交流對其進行充電，同時，其本身又可以對外充電，其USB接口充電對象包括智能手機、飛機遙控器；充電插座可接航模電池組、無人機智能電池組。通過設計的充電及保護電路以及平衡電路達到對電池的智能化管理。

2 多功能智能充電器的模塊化設計

2.1 大功率充電模塊電路設計

大功率充電模塊是充電器的核心電路。如圖2所示。使用TI公司的型號為BQ24610的具有5V-28V輸入的獨立同步開關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，從而計算出流過的電流值。芯片的11腳通過電容接地，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，R85兩端的電壓經過電容C29后，輸入到U4的13、14腳，用于測量充電電流值。U4的12腳是電壓反饋引腳，電阻R88、R91先組成一級默認的分壓電路，主控MCU再根據選定的電池參數控制Ql、Q2，組合出不同電池電壓充電狀態。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計

外部電池平衡電路圖如圖3所示。外部電池組的每節電壓通過運放采樣，把電池電壓信號傳給主控MCU的AD采樣引腳，主控MCU得到每節電池的電壓信息后，會通過一定的算法，對不平衡度超過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通過電阻R72控制017的基極拉高，Q17導通后，會控制Q15導通，進而控制Q16導通，這樣就相當于把R76～R79并聯組成的負載電阻接入電芯兩端，從而減少流過相應那一節電芯的電流。外部電池平衡電路包含5個這種類似的電路，工作原理也類似。

2.3 內置電池充放電管理模塊電路設計

內置電池充放電管理模塊同樣使用TI公司的型號為BQ24610的具有5V-28V輸入的獨立同步開關模式鋰離子或鋰聚合物電池充電器芯片，工作原理和圖2大功率充電模塊類似。值得一提的是，由于內置電池的節數是確定的，因此只要設定好一個確定的反饋電壓即可選擇充電方式。

2.4 內置電池平衡及保護模塊電路設計

內置電池平衡和保護模塊電路與外部電池平衡電路所述的實例相似。N溝道MOS管組成對內置電池的保護電路，當內置電池欠壓、過流時，主控MCU會控制MOS管，切斷內置電池輸出。

2.5 主控MCU和按鍵顯示電路設計

主控MCU和按鍵、顯示部分電路采用ST公司的型號為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IO口中斷采集按鍵信息。運放采集內置電池輸出電流信號，當輸出電流過大或者短路時，主控MCU會切斷電池輸出，以保護內置電池的安全。

3 多功能移動充電器外觀及操作說明

3.1 多功能移動充電器外形結構說明

充電器的主體采用鋁合金型材，正而布置了LCD顯示屏和4個按鍵，右側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。整體外形簡單大方，接口布置合理，操作方便，顯示明了。

3.2 多功能移動充電器的操作說明

實際使用時如果是給航模電池充電，可以通過顯示屏和按鍵，選擇正確的充電參數，按確認鍵后，即會以最快充電速度給電池充電，充滿自動停止。如果給USB設備充電，只要插入USB插頭，無需操作任何按鍵即可充電。設計的多功能智能移動充電器，具有內置電池容量大、輸出充電功率高、兼具電池平衡功能等特點，操作使用方便。

4 總結

本文提出并實現的多功能智能移動充電器，相當于攜帶3.3塊4480mAh@15.2V的備用電池。通過顯示菜單選擇合適的電池參數后，會自動以最大充電速度給電池充電，最大化的減少充電時問。充電過程中可以實時顯示充電電流、當前電池電壓、剩余充電時問等信息，方便用戶一目了然獲取充電信息。電池充滿后還有指示燈和蜂鳴器提示，便于提醒用戶。自帶電池平衡接口，可以給航模電池進行智能平衡充放電，減少電池的充放電過程中的不平衡程度，延長電池使用壽命。

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