CN101789615B - 航模电池外场专用恒流补电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子技术领域，涉及一种航模电池外场专用恒流补电装置。市场上用于充电电池的充电器种类虽多，但真正适合在外场航模电池使用充电装置很难寻觅。航模爱好者或比赛选手们通常都是在前一晚上在室内给充电电池充满电，第二天拿到外场用于活动或参加比赛。然而充电电池经过一晚上的放置，充电电池峰值电压会因自放电等因素而大幅下降，这一部分暴发性很大的能量也随之损失掉了。本发明针对充电电池有自放电特性的这种现象，发明了一款在外场使用的航模电池恒流补电装置，它特别适用于航模电动竞速、耐久、自由飞、留空等活动项目。比赛前若能用补电装置对航模动力电池组进行外场补电，就可有效地弥补或改善充电电池峰值电压大幅度跌落的现象，使航模一出手就能迅速在运动中抢占先机。

Description

航模电池外场专用恒流补电装置

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种航模电池外场专用恒流补电装置。

背景技术

目前，市场上用于充电电池的充电器种类繁多，充电器应用的充电技术不外乎有变流定压、变压变流、脉冲式、恒流定压等几种方式，但所有充电装置在充电电池的电量充满后一旦脱离充电装置，充电电池的电压将会比在线充电时的峰值电压有一定幅度的跌落，其原因主要是充电电池故有的自放电现象所引起的负面作用。一般充电装置在设计和使用中普遍无法面对这个问题的存在，充电电池峰值电压(电量)这部分非常宝贵、爆发性较大的能量一直被忽略，这些以自放电方式损耗的电量，人们普遍认为损失这点点电量无足轻重，就是在航模活动的日常训练或比赛上，这个问题也始终未得到重视，在充电电池的使用方面也一直存在着误区，主要现象是：

1、没有在了解和深刻认识充电电池的特性上下工夫，并且长期使用充电效果低下的普通整流电源作为充电电池的充电装置，充电电池的性能(电量)不断受到严重的、不可逆的影响；

2、许多学校或学生盲目地、一味地追求购买和使用大容量充电电池。就现实来说，无论是平时训练还是参加各种航模比赛，充电电池的容量大小已经不是主要问题，充电电池不好用关键是没有在充电电池的正确使用和维护方面下功夫；

3、常见的典型做法是头一天晚上在室内给充电电池充好电，第二天就直接用于参加航模比赛。

以上种种做法，在航模比赛中以充电电池作为动力的一般很难取得突出成绩。

在外场活动或参加航模比赛，充电电池的使用、维护方面必须做到：首先是充电电池本身性能要好，航模各方面性能决不能存在先天不足(当然电动航模也必须经过一定的技术改造)；二是坚持使用有利于发挥镍镉、镍氢充电电池优越性能的充电装置；三是最关键工作即在赛前使用恒流补电装置对航模动力电池进行补电。

在参加航模竞速或留空等活动项目或比赛时，对航模动力电池进行补电的目的就是要充分、有效地利用那一部分爆发性较大的能量，使电动航模一出手就能迅速抢占先机，待充电电池电压(电量)跌落到通常状态时，你的航模已经高高在上或领先在前。

市场上适合于中、小学航模活动和外场训练或航模比赛使用的充电装置很难寻觅。

实践证明：根据充电电池的特性和外场环境条件的制约，使用恒流、定压的方式的充电技术效果比较好，而供电电源宜采用先升压的方案更有利于外场使用和应急之需。MC34063是一款非常成熟、且一直在使用的升压集成电路DC/DC，该技术早在邮电出版社发行的《无线电》杂志1988年12期、1993年11期、1999年第9期……就陆续专题介绍过，近年来电脑主板上的部分电源也仍在使用。

航模动力电池在外场通过补电装置进行补电，可以有效地弥补或改善充电电池自放电等现象所造成充电电池峰值电压大幅度跌落的状况。那么本发明所述的航模充电电池外场专用恒流补电装置究竟有什么有益效果，有哪些技术内容？如何制作呢？

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种适合航模动力电池在外场使用的恒流补电装置。充分考虑是在外场环境下使用，解决充电电池电量充满后一旦脱离充电装置，弥补或改善充电电池自放电等造成充电电池峰值电压大幅度跌落现象。基于这种情况，为适用于电动模型竟速、耐久、电动空模自由飞、遥控航模留空等比赛项目，根据充电电池自放电的特性，该补电装置可以有效、充分地利用充电电池峰值电压(电量)这部分爆发性较大的电量。

技术方案：本发明由供电电源、供电电源极性识别电路、升压电路DC/DC、恒流源形成电路、慢速补电或快速补电转换电路、输出端口和指示电路等6部分组成。技术方案有：

1、一般充电器的供电电源是将市电通过一定方式降压获得，本发明是直接将直流电源经过升压电路升压后作为补电装置的供电电源。

2、补电装置使用的供电电源适应电压的范围宽、供电电源性质范围广。

3、为适合在外场的粗放使用，在补电装置的供电电源输入端，接入4只压降很小的肖特基二极管组成桥式整流电路，解决供电电源极性自动识别的问题，使用中不再有供电电源极性接反之虞。

4、为在外场应急时能够利用电量少的电池和克服三端可调集成稳压块LM317形成恒流损失3.5V压降的现实，在技术方案上对供电电源采取先升压DC/DC、后形成恒流的充电技术，这也是有别于普通充电器供电电源的供电方式。

5、选用转换效率较高的集成电路MC34063作为升压电路DC/DC，通过三端可调集成稳压块LM317形成恒流源，使得输出的恒定电流数值准确，为外场补电或室内充电的控时提供了很大方便。

6、补电装置的电路中设置1只单刀双掷开关SW可解决2个问题：

(1)选择一组电池或两组充电电池同时补电；

(2)用于快速补电或慢速补电的手动切换。

7、利用硅二极管正向压降的性质，在输出回路中先串联2只硅二极管而后在2只硅二极管的两端跨接一只超高亮发光二极管的方式，实现了用简捷、可靠的电路解决电池组补电时工作状态的指示问题。

技术特征：本发明由供电电源通过供电电源极性识别电路给由集成电路MC34063及外围的阻容元件组成升压电路DC/DC供电，将供电电源的电压提升到≥15.5V，利用MC34063富余的输出功率，直接作为补电装置的供电电源，用2只三端可调稳压集成块LM317等元件构成2路恒定电流源，经单刀双掷开关SW完成慢速或快速补电的手动切换后，由A或B组恒定电流输出端给充电电池组进行补电，用普通硅二极管和超高亮发光二极管D6、D7、D10与D8、D9、D11分别组成补电工作状态指示电路，由其在补电过程中负责相应恒定电流输出端的工作状态指示。

有益效果：本发明所述的航模动力电池外场专用恒流补电装置在电路设计上，为有利于发挥镍镉、镍氢充电电池优越性能，充分考虑到在外场特殊环境下使用对性能和可靠性等要求。

1、在外场使用补电装置可以有效弥补或改善充电电池自放电等现象而造成充电电池峰值电压大幅度跌落的状况。在航模训练或参加航模比赛中使得航模在爬高、竞速等比赛项目中能够抢占先机，等到充电电池电压跌落到通常状态时，航模已经遥遥领先或高高在上，相比那些没有进行补电的充电电池，要占有明显的优势；

2、在设计补电装置时，为了降低补电装置的制作成本、方便制作和调试，选用常见元器件，并设计了简捷的免调试电路；

3、补电装置的供电电源电压适应范围宽，对供电电源性质(干电池或充电电池等)要求不高。在外场应急时可以使用电量不多的4节普通电池(只要有电，就可以作为供电电源给航模电池进行补电！)为8节及8节以下的充电电池进行补电；

4、补电装置设置有供电电源极性识别电路，补电装置充电输出端口不怕短路，这些保护功能特别适合于学生在外场的粗放使用；

5、可为1～8节×2组(1.2～9.6V×2组)镍镉或镍氢充电电池进行恒流补电；

6、补电装置在补电过程中，补电电流数值恒定不变，大大方便了充电过程的时间控制；

7、对于长期使用简易充电器或普通整流电源作为充电电池的充电装置，补电装置可使充电电池性能“早衰”或者性能低下的有一定的修复作用；

8、在普通整流电源的配合下，可作为室内高性能恒流充电器使用。

附图说明

附图1是航模电池外场专用恒流补电装置工作原理方框图

附图2是航模电池外场专用恒流补电装置电路工作原理图

附图3是本发明实施例中所用的电路工作原理图

在附图2、附图3中：

(1)三端可调稳压集成块IC2、IC3有调整端ADJ，输出端和输入端；

(2)单刀双掷开关SW的公共头COM接触点b时，A组恒定电流输出端、B组恒定电流输出端可单独使用或同时使用；

(3)公共头COM接触点a时，只能使用A组恒定电流输出端进行快速大电流补电；

(4)附图3方框内是升压电路DC/DC部分，其为现有技术，为了方便描述，方框外围的引脚命为升压电路DC/DC的输入端(①)、升压电路DC/DC的接地端(②)、升压电路DC/DC的输出端(③)。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的实施，附图3是航模电池外场专用恒流补电装置实施例中的电路工作原理图，按照附图2、附图3所示的电路图并按照附表及以下技术要求即可实现本发明的实物。

电路中元器件相互间的连接关系

附图3中方框内为升压电路DC/DC，其为现有技术，其电路原理及连接关系见附图2。

1、用4只肖特基二极管D1～D4接成桥式整流组成供电电源极性识别电路，2只肖特基二极管D2、D4的负极分别连接升压电路(DC/DC)的输入端(①)和滤波电解电容C1的正极，滤波电解电容C1的负极和升压电路(DC/DC)的接地端(②)；

2、升压电路DC/DC的输出端(③)端分别连接三端可调稳压集成块IC2、IC3的输入端；

3、三端可调稳压集成块IC2的输出端接2只并联电阻R6、R7的一端，电阻R6、R7的另一端接三端可调稳压集成块IC2的调整端ADJ；

4、在恒流源输出回路中用2只硅二极管D6、D7串联后产生≥1.4V的正向压降，为超高亮发光二极管提供工作电压，硅二极管D6的正极、超高亮发光二极管D10正极与三端可调稳压集成块IC2的调整端ADJ相连，硅二极管D7的负极与超高亮发光二极管D10的负极相连接后构成A组恒定电流输出端和工作状态指示电路；

5、硅二极管D8、D9与超高亮发光二极管D11的连接关系，电阻R8、R9与三端可调稳压集成块IC3的连接关系同上所述。三端可调稳压集成块IC3外围的连接关系同三端可调稳压集成块IC2；

6、单刀双掷开关SW为慢速补电或快速补电转换开关，其公共头COM接三端可调稳压集成块IC3的调整端ADJ，单刀双掷开关SW的触点a接三端可调稳压集成块IC2的调整端ADJ和硅二极管D6的正极、超高亮发光二极管D10的正极，单刀双掷开关SW触点b接硅二极管D8、D11的正极，硅二极管D9的负极和D11的负极连接后组成B组恒定电流输出端和补电工作状态指示电路；

补电工作状态指示电路：硅二极管D6～D9分别串入A组恒定电流输出回路、B组恒定电流输出回路中，将超高亮发光二级管D10～D11分别跨接在D6～D7和D8～D9之间，当A组恒定电流输出端或B组恒定电流输出端接入负载(充电电池)时，超高亮发光管D10或D11就会被点亮而完成工作状态的指示。

元器件选择、制作要点及电路调试

1、三端可调集成稳压块：须选用正极输出塑封LM317或金属封装的LM338；

2、散热装置：因补电装置的塑料盒内部空间较小，市场上无规格适合三端可调集成稳压块LM317的散热器，故每组选用3只可焊式散热器并接，每组散热器分别用1枚Φ3×30mm的螺杆紧固在一起，2组散热器的焊脚直接焊在PCB电路板相应的焊盘上。若选用金属封装的LM338，因工作电流小则不需要使用散热器；

3、电感制作：铁氧体磁芯选用型号为E I25，舌截面6.5mm×6.5mm，用8～10股Φ0.29～0.31mm漆包线在骨架上分层平绕32～35圈，或用环形铁氧体(磁环)，用Φ≥0.7mm的漆包线穿饶42～45圈，制作完成后，用电工防水胶带捆扎，再用504环氧胶或用A、B胶浸封加固；

4、输出电压调整：升压电路的输出电压一般不用调整。若需要调整，用数字电压表监视输出端(A组恒定电流输出端或B组恒定电流输出端)的电压，然后调整电阻R5的阻值，输出端口电压值：充电电池组电压+3.5V≥15.5V，要保证获得稳定的恒定电流效果，必须确保三端可调稳压集成块LM317输入、输出之间的电压差≥3.5V；

5、恒定电流值调整：电路图中电阻R7或R9为准确调整恒流值而设，其阻值范围是39～47Ω，推荐值为43Ω；

6、塑料外壳的散热：塑料外壳周边的散热孔越大越多越好，只要认为既美观又不影响外壳强度就可以。

元器件名称及主要技术参数

元件编号	元器件名称	主要指标	数量	备注
					IC1	MC34063	DIP直插式	1只	8脚
IC2、IC3	LM317或LM338	TO-220或TO-3封装	2只	正极性输出
					D1-D5	1N5825(肖特基二极管)	3A/40V	5只	或用SB220
D6-D9	1N4001(硅整流二极管)	1A/50V	4只	或用1N4002
					D10、D11	超高亮红色发光二极管	Φ5	2只	适合外场用
C1	电解电容	1000μF/25V	1只	立式
					C3	电解电容	470μF/25V	1只	或1000μ
C2	瓷介电容	1000PF	1只
					L	电感(磁芯EI25)	120μH(3A)	1只	或环形磁芯
R1	金属膜电阻	0.22Ω/1W	1只
					R6、R8	金属膜电阻	10Ω/1W	1只
R7、R9	碳膜电阻	43Ω	1只	微调恒流值
					R2	碳膜电阻	180Ω	1只	1/4W
R4	碳膜电阻	1KΩ	1只	1/4W
					R3	碳膜电阻	2.2kΩ	1只	1/4W
*R5	碳膜电阻	24KΩ	1只	按需调整
						PCB电路板	单面铜箔板	1块	75mm×45mm
	输入、输出引线	截面≥0.16	若干	不同颜色
					SW	船形开关	单刀双掷开关	1只
	散热器(可焊式)	适用于TO-220封装	6只	3只为一组
						螺杆、螺帽、垫圈	Φ3×30mm	2套	紧固散热器
	鳄鱼夹	中、小号红黑色	6只	4-6只
						塑料仪器盒	80mm×50mm×32mm	1个	外缘尺寸
	橡胶护圈		1个	护线用

技术指标

1、外场补电：推荐用6/12V、容量2AH以上的蓄电池(在外场应急时，可使用普通干电池作为补电装置的供电电源)

2、室内充电：在室内可作为高性能充电器使用，选用6～15V、输出电流≥1A的普通整流电源或交流电源或开关电源作为补电装置的供电电源

3、输出端口电压：≥15.5V

4、设置有快速、慢速补电2档

5、补电端口：A组恒定电流输出端、B组恒定电流输出端，为1组或同时为2组充电电池补电

6、补电电流：选用慢档，A、B两组输出端补电电流均为150mA(恒流)。选用快档恒定电流值为300mA，但只能使用A组端口

7、补电装置每组输出端分别有工作状态指示

8、补电电池节数：每组1～8节镍镉或镍氢充电电池

9、待机电流：≤6mA

10、外壳尺寸：80mm×50mm×32mm

使用方法

1、常用经验公式：T＝(1.3～1.6)C/I(T为充电时间，1.3～1.6为时间系数，C为充电电池容量，I为充电电流)。充电时，根据充电电池容量、性能(新旧程度)选择时间系数和充电电流后，很方便确定充电时间，如：在室内为900mAH镍镉充电电池充电，时间系数选1.5，则：T(充电时间)＝1.5×900mAH/300mA＝4.5小时

一般来说，充电电池比较旧或性能较差的电池，时间系数宜选大些。在外场为航模动力电池补电或在不急等用的情况下，宜选择慢档小电流补电方式有助于将充电电池充得饱满，且不易发热而损伤充电电池；

2、在室内充电前，为消除记忆充电电池组残存电量应按规范进行放电(一般镍铬电池每5个循环，镍氢电池每10个循环要充分放电1次，同时要注意充电电池均衡放电问题)。当放电电流为300mA时，充电电池带负载放电的终止电压为0.85～0.90V；

3、在慢速补电时，每节充电电池控制电压为1.58V(补电装置没有设计充满自停电路，使用时最好用数字电压表进行监视，以防止过量补电)；

4、在外场补电时间一般控制在10～25分钟，掌握在比赛开始前的最后1～2分钟停止补电；

5、比赛时不能使用性能不稳定的全新充电电池，更不能使用太旧或性能太差的充电电池，新旧充电电池切不可混用；

6、为5节或5节以下充电电池补电时，因三端可调集成稳压块两端的电压差较大而产生较多的热量，所有要特别注意补电装置的通风和散热，且补电时要避免太阳直射。

Claims (7)

1.一种航模电池外场专用恒流补电装置，由供电电源、供电电源极性识别电路、升压电路DC/DC、A组恒定电流输出回路、B组恒定电流输出回路、慢速或快速补电手动切换电路、补电工作状态指示电路组成，其特征是：

(1)A组恒定电流输出回路和B组恒定电流输出回路分别由三端可调稳压集成块IC2和三端可调稳压集成块IC3形成，集成电路IC1与电阻R3～R5、电解电容C1、电容C2、电解电容C3和电感L组成升压电路DC/DC，所述的升压电路DC/DC输出端接三端可调稳压集成块IC2的输入端和三端可调稳压集成块IC3的输入端，集成电路IC1选用的型号为MC34063，三端可调稳压集成块IC2和三端可调稳压集成块IC3选用的型号均为LM317；

(2)单刀双掷开关SW组成慢速或快速补电手动切换电路，A组或B组恒定电流输出端由单刀双掷开关SW负责切换；

(3)由硅二极管D6～D9与超高亮发光二极管D10～D11分别组成A组、B组补电工作状态指示电路。

2.根据权利要求1所述的航模电池外场专用恒流补电装置，其特征是：供电电源极性识别电路用4只肖特基二极管D1～D4接成桥式电路，肖特基二极管D2、D4的负极接升压电路DC/DC的输入端(①)和电解电容C1的正极，电解电容C1的负极与升压电路DC/DC的接地端(②)与电路地相连。

3.根据权利要求1所述的航模电池外场专用恒流补电装置，其特征是：三端可调稳压集成块IC2的输出端与电阻R6的一端及电阻R7的一端连接，电阻R6的另一端和电阻R7的另一端接三端可调稳压集成块IC2的调整端ADJ。

4.根据权利要求1所述的航模电池外场专用恒流补电装置，其特征是：三端可调稳压集成块IC3的输出端与电阻R8的一端及电阻R9的一端连接，电阻R8的另一端和电阻R9的另一端接三端可调稳压集成块IC3的调整端ADJ。

5.根据权利要求1所述的航模电池外场专用恒流补电装置，其特征是：在A组恒定电流输出回路中串联2只硅二极管D6～D7，超高亮发光二极管D10的正极与硅二极管D6的正极与三端可调稳压集成块IC2的调整端ADJ相连，硅二极管D7的负极与超高亮发光二极管D10的负极相连接后组成A组恒定电流输出端和A组补电工作状态指示电路。

6.根据权利要求5所述的航模电池外场专用恒流补电装置，其特征是：在B组恒定电流输出回路中串联2只硅二极管D8～D9，硅二极管D9的负极与超高亮发光二极管D11的负极相连接后组成B组恒定电流输出端和B组补电工作状态指示电路。

7.根据权利要求6所述的航模电池外场专用恒流补电装置，其特征是：慢速或快速补电手动切换电路中的单刀双掷开关SW的公共头COM接三端可调稳压集成块IC3的调整端ADJ，单刀双掷开关SW的触点a接三端可调稳压集成块IC2的调整端ADJ和硅二极管D6的正极和超高亮发光二极管D10的正极，单刀双掷开关SW的触点b接硅二极管D8的正极与超高亮发光二极管D11的正极。

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