摘要：随着科技的飞速发展与“低空经济”产业的异军突起，工业无人机的应用领域也在不断拓展。无人机的安全、高效和智能化作业，离不开各分系统的稳定与可靠运行。某型号无人机的电气分系统主要由供电设备、分线盒、供电与通信线缆等组成，电源管理器起到无人机供电设备与机载设备之间的桥梁作用。采用先进产品质量先期策划（APQP）方法，对于确保电源管理器的高质量设计具有重要意义，有效地识别和解决设计和验证过程中的潜在问题，从而实现高可靠性电源管理器的设计与制造。

关键词：无人机，电源管理，智能管理

1 引言

随着巡检无人机的出现与发展，工业无人机应用范围和应用领域迅速拓展到生态环保、水文水利、应急管理、智慧安防、资源调查、巡查巡线、空中丝路等领域，有效的提高了巡检员的工作效率，降低了工作强度，排除了长期高空作业、环境、气候带来的安全隐患等问题。

电源管理器作为无人机供电设备与机载设备之间的桥梁，在电气化方面发挥至关重要的作用。通过APQP系统化的方法确保每一个步骤都经过严格的质量管理和控制。持续的过程监控和改进机制是保证电源管理器设计成功的关键因素。本文重点从APQP系统化的方法的策划需求与定义、产品设计与开发、过程设计与开发等三阶段展开电源管理器的产品设计可靠性提升。

2 关于电源管理器

2.1研究背景与意义

某型无人机能够执行应急指挥通信、灾情实时侦察、人员搜救及公网基站等任务。其电气分系统主要由供电设备、供电与通信线缆等组成，供电设备主要负责无人机和机载设备供电及数据间的互联互通，电源管理器作为无人机供电设备与机载设备之间的桥梁，发挥至关重要的作用。而高寒、高温、低压等飞行场景对电源管理器提出了更高的要求，包括提高效率、减少体积、增强抗干扰能力以及提升整体可靠性等。因此，寻求并采用先进设计方法和管理工具，如产品质量先期策划（APQP）方法，对于确保电源管理器的高质量设计和产出具有重要意义。

2.2电源管理器的现状与发展

电源管理器作为一种重要的电力电子设备广泛应用于各种领域，随着技术的进步和市场需求的变化，其性能和功能也在不断升级。当前，高效率、小型化、智能化成为电源管理器发展的主要趋势，特别是在可再生能源系统、电动汽车、航天航空等对电源转换效率和稳定性有极高要求的应用场景中，高性能电源管理器的需求日益增长。同时，为了应对更加严苛的工作环境和延长使用寿命，如何提高电源管理器的可靠性和耐用性也成为研发的重点。

在科技与市场的双重推动下，电源管理器正朝着更高效率、更小体积、更强适应性和更多智能化功能的方向发展。

3 APQP方法概述

3.1 APQP方法的基本概念

APQP（Advanced Product Quality Planning），产品质量先期策划，是一种结构化方法，用来确定和制定确保某款产品能够得到客户满意所需的步骤，它指导组织按时间进度有条不紊地进行产品和过程的开发，它是产品质量的诞生过程，通过一系列的输出成果，解决问题。APQP方法的基本概念包括质量计划的概念理解、APQP的目的即通过结构化的方法保证产品质量从设计到生产再到交付整个过程中的稳定性和可靠性，同时达到降本增效的目标。

3.2 APQP方法的关键阶段

在设计阶段花1块钱能解决的问题，在制造阶段要用10倍成本来纠错，而如果不合格交付到客户，则至少要花100倍的成本来纠错。也就是说，发现缺陷晚了一步，需要花费的成本将成指数上升。这就是质量管理中的1：10：100法则。APQP通过一个相对低廉的先期预防成本，来避免未来损失高昂的纠错成本。

APQP方法的五个关键阶段包括计划和项目定义、产品设计和开发验证确认、过程设计和开发验证确认、产品和过程确认以及反馈评估和纠正措施。在开发初期，充分开展和运用计划和确定项目、产品设计和开发验证确认、过程设计和开发验证确认的前三个阶段，可以系统地提升产品初期的设计要求，为产品后续生产再到服务的全过程，确保产品满足顾客需求并具备高可靠性奠定基础。

4 电源管理器前期质量计划和项目定义

4.1可靠性定义及重要性

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，它是衡量产品质量和性能的重要指标之一。高可靠性意味着产品能够在长时间内稳定运行，减少故障发生率，从而降低维护成本和提高用户满意度。在电力电子领域，高可靠性不仅直接关系到设备的使用寿命，还影响整个系统的稳定性和安全性。因此，深入理解和提升电源管理器的可靠性具有重要意义。

4.2电源管理器可靠性需求分析

电源管理器可靠性需求分析应包括环境适应性要求，如温度、湿度、振动等极端条件下的稳定运行能力。电源管理器作为交直流转换模块和中转模块，将驱动器输入的三相交流电提供给电动机，将发电机工作产生的交流电转化为符合设备要求品质的直流电给到机载设备。用户使用场景下的长期可靠性要求以及故障率、平均无故障时间等关键指标的量化目标，并据此制定针对性的改进措施以确保最终产品的可靠性水平。

项目管理活动意味着所有相关利益方的强有力领导和积极参与，APQP成为“产品开发过程的管理框架”。在电源管理器产品方案设计时，引入了项目输入：

a）顾客、监管和内部要求，包括特殊要求及支持技术规范的文献；

b）来自以往设计项目、生产方的反馈、标杆数据、当前制造能力、内部和外部产品性能和可靠性数据，质保部门和其他相关来源的经验教训；

电源管理器伴随无人机高寒、高温、低压等飞行场景，以及提高效率、减少体积、增强抗干扰能力以及提升整体可靠性等。在设计开发之前，将这些飞行场景纳入电源管理器质量评估目标，将以往同类型设计项目、生产方的反馈、标杆数据、当前制造能力、内部和外部产品性能和可靠性数据梳理，开展设计评鉴。

采用产品质量先期策划（APQP）方法，将质量策划置于电源管理器的设计之前，包括如下方面：

4.3 可靠性方面

a） 简化设计，具有模块化、系列化、通用化设计；

b） 可靠性关键功能和模块具有合理的容错、冗余和防差错设计。

4.4 维修性

a） 拆装步骤少，操作简单，拆装工具单一，拆装可达性好；

b） 具有完善的防差错措施及识别标识；

c） 模块或模板具有良好的标准化、互换性。

4.5 测试性

a） 具有常见故障和关键信号的检查点、易接近且有唯一标记；

b） 硬、软件设计具备自动诊断功能、故障定位功能，定位到模块或模板，易于隔离和寻找故障；

c） 具有单个模块的失效检测能力。

4.6 安全性

4.6.1 定性要求

a） 在全寿命全流程使用过程中，在正常操作情况下应保证人身和设备安全；

b） 具有防误操作和防差错设计；

c） 结构设计应避免操作、维护和调试过程中人员接触危险。

4.6.2 定量要求

a） 绝缘电阻：绝缘电阻在正常大气条件下应不小于100MΩ，在潮湿环境条件下应不小于2MΩ；

b） 介电强度：在电源输入端与机壳之间施加500V直流试验电压时，不发生击穿、飞弧和闪烁等。

4.7 环境适应性

4.7.1  温度

工作温度：-25℃～+55℃；

贮存温度：-40℃～+70℃。

4.7.2  相对湿度

相对湿度：（90±5）％（30℃～55℃）时，能正常工作。

4.7.3  振动冲击

在运输阶段和飞行阶段能够满足整机振动和冲击要求。

4.8 电磁兼容性

a） 系统内电磁兼容性：系统内各设备、整件、组件和部件正常工作且互不干扰；

b） 电缆充分考虑电磁兼容设计。

5 电源管理器的产品设计与开发验证

电源管理模块布置于机身内，为飞控、链路、吊舱等机载设备及任务载荷供电，同时具备设备用电管理、供电状态监控及故障告警等功能。将其需求转化为具体的产品设计，转化输出的DFMEA、可制造性和装配设计、设计验证、设计评审、样件制造控制计划、工程图、工程规范、材料规范、产品特殊特性要求等。

源管理模块主要由隔离48V电源模块，隔离24V电源模块，隔离12V电源模块，隔离8V电源模块，电压电流采集电路，隔离串口232电路，隔离CAN电路和单片机等组成。APQP的目的即通过结构化的方法保证产品质量从设计过程中的稳定性和可靠性，进行设计布局：

1，设计方案主要考虑电源管理器的质量可靠性相关的基本参数，如输入电压范围、输出电压和电流要求、效率目标、工作频率等，进行拓扑结构的选择，考虑使用如Buck、Boost、Buck-Boost等常见变换器拓扑。

2，设计电路图并选择合适的元器件，包括开关器件、整流器件、滤波电容和电感等，同时考虑散热设计和电磁兼容性设计以确保电源管理器满足高可靠性要求。

3，此外，制定初步的软件控制策略和保护机制设计，确保电源管理器在各种工作条件下均能稳定运行。

通过试验和测试，验证产品满足设计要求，包括功能、性能、安全性等方面的验证。预先识别开发需求和存在的风险，验证电源管理模块输出需要设有保险丝进行短路保护，任意电路出现短路故障，不影响其他模块的供电和正常工作，降低系统的失效率，采集输入输出电压，输出电流，电源壳体温度等数据。验证接口性能，通过CAN接口采集ECU数据，并通过RS232总线将采集的数据上报给飞控，进行飞行状态监控。

6电源管理器的过程设计与开发验证

APQP基于风险管控的思维，在电源模块选型时，重点关注产品安全、性能、质量、可制造性、可靠性的使用寿命目标。故为提高产品可靠性，方案采用体积小型化、重量轻型化、功率密度高的成熟电源模块。电路设计完成后，将详细规划包括原材料采购、零部件加工、组装调试等各个环节确保所有组件符合设计要求，并通过初步的模块检测和性能测试，以验证设计方案的可行性和合理性，同时记录试制过程中遇到的问题。

电源管理器试制样机性能测试，包括电气性能测试、环境适应性测试以及电磁兼容性测试等，以确保电源管理器在各种工作条件下的稳定性和可靠性。

对产品进行深层次的验证测试，也正是APQP的思维的实践应用，通过过程设计与开发验证，提高产品的质量和可靠性，减少产品开发周期和生产成本。在整个过程设计和开发验证中，跨部门团队协作、持续的过程监控和改进机制是保证电源管理器设计成功的关键因素。通过系统地应用APQP方法，有效地识别和解决设计过程中的潜在问题，从而实现高可靠性的电源管理器设计与实现。将可靠性高的电源管理器嵌入无人机进行飞行作业任务，也势必大大提升无人机的系统质量特性。

7结束语

本文合理运用并选取APQP方法的策划需求分析与定义、产品设计与开发、过程设计与开发等环节，确保了电源管理器从项目需求到设计产出的步骤都经过严格的质量管理和控制，从而提升产品的可靠性。在开发进程中，运用APQP先期策划思想与质量优先的工作方法，有效地识别和解决设计和验证过程中的潜在问题，从而实现高可靠性的电源管理器设计与实现。

参考文献

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