CN105375597A - 无人机智能充电机 - Google Patents

Abstract

一种无人机智能充电机，包括AC/DC、DC/DC、微处理器、平衡充电模块、电池模块、电池模块电压检测、USB供电及USB输出充电插口、电压/电流传感器、键盘及显示、散热风扇驱动及散热风扇、wifi单元、USB接口、隔离式通讯接口芯片及热敏电阻传感器。由于采用了主动平衡技术,从而提高了充电效率、充电速度和有效保护锂电池的使用寿命及安全；微处理器有USB接口，支持通过USB口或SD卡的硬件程序更新；微处理器与WIFI单元连接，通过手机APP实现客户端的实时监控等功能；微处理器单元根据电压电流传感器检测到的DC/DC输出信号，自动调节控制DC/DC输出信号的大小；采用隔离式通讯接口芯片，降低了EMI(电磁干扰)，从而大大提高了系统接线长度和信噪比性能；采用电池模块电压检测单元，可监视电池模块中每节<b>独立</b>的电池，对每一节进行有效的控制。

Description

无人机智能充电机

技术领域

本发明涉及无人机充电技术领域，更具体地说，涉及一种无人机智能充电机。

背景技术

随着科学技术的发展，无人机技术现在越来越成熟，对无人机的控制也越来越稳定，相关的在军事、救灾、民用上的应用都有很大发展。然而，这项技术的一个重大的瓶颈在于无人机的续航能力低，无人机基本都是依靠电池供电，蓄电池是无人机飞行的最关键系统之一，蓄电池还广泛地用于无人机启动引擎和辅助动力装置，也为必要的航空电子控制设备提供支撑电源，为保障导航设备和飞行线路计算机做不间断电源，鉴于这些功能都是起限制飞行任务的作用，所以对飞机电源首当其冲的要求是安全可靠，性能必须稳定耐久，能为飞机的各种应急环境下维持航行控制系统工作提供支持，但无人机由于所能携带蓄电池电量有限，难以长时间工作。此外，在隐患高峰期或遇到突发事件时，需要无人机定时或连续工作，需要有人监管保证其在工作过程中回收充电，这样不但影响工作效率，而且在外工作时充电也不方便，同时由于充电效率低，充电速度慢而影响任务的有效执行。

无人机所使用的电池系统架构为锂电池，锂电池的储能容量非常惊人，但即便如此，单个电池单元的容量不论从电压还是从电流方而仍都太低，不能满足一个混合动力发动机的需要。并联多个电池单元可以增大电池所提供的电流，串联多个电池单元则可以增大电池提供的电压。电池组装商通常将单个锂电池组装成多个串联电池单元的模块化结构电池单元，这些模块化结构电池单元就可通过一片微控制器芯片为核心的电子电路对其进行管理和平衡。平衡充电是所有锂电池组所需要的充电方式，由于是电池模块单元,所以充电时不可能保证串联的电池每个都能发挥最好的能力,充电时也不可能全部保证都能达到合理水平,但是在应用中实际是没有平衡充电的，这样做实际上对电池寿命的影响是相当大的。

现有的均衡技术主要分为电池间能量传递均衡和外部能量输入均衡，电池间能量均衡就是把高电量电池的能量给低电量电池充电，现在很多专用芯片或者单片机解决方案使用的是外部均衡的方式，这种方式是通过可控制的耗能来实现的，这种方式中一般都是使用一个耗能元件来消耗能量，从而等待其他电池单元充满或者降低某些电池单元的电压，这种方案的缺陷在于耗能及发热量太大。

发明内容

安全、可靠、快速、高效的锂电池充电器对锂电池的性能及应用起着至关重要的作用，因此，安全有效的智能型锂离子电池充电器对于锂离子电池来说就是必须而且是必要的。

本发明的目的在于克服现有技术中无人机充电器充电效率低，充电速度慢及充电方式的不合理,提供一种采用主动平衡技术的无人机智能充电机,从而提高充电效率、充电速度和有效保护锂电池的使用寿命及安全，实现不平衡电池模块中的容量恢复。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为:

本发明的一种无人机智能充电机，包括由AC/DC单元1、DC/DC单元2、微处理器单元3、平衡充电模块4、电池模块单元5、电池模块电压检测单元6、USB供电单元7及USB输出充电插口8、电压传感器9、电流传感器10、电池输出电压传感器11、键盘12及显示单元13、散热风扇驱动单元14及散热风扇15、wifi单元16、USB接口17、隔离式通讯接口芯片18及热敏电阻传感器19组成。

进一步：交流电源输入到AC/DC单元1，AC/DC单元1输出到DC/DC单元2。

进一步：DC/DC单元2输出一路输出到USB供电单元7，经USB供电单元后输出到USB输出充电插口8；另一路输出到平衡充电模块4。

进一步：平衡充电模块4与电池模块单元5连接，实现对电池模块单元5的平衡充电控制。

进一步：电池模块电压检测单元6与电池模块单元5连接，实现对电池模块单元5中各个单体电池的电能参数检测，平衡充电模块4与电池模块单元5连接，电池模块电压检测单元6通过隔离式通讯接口芯片18与微处理器单元3连接，DC/DC单元2输出电源送入平衡充电模块4，在充电过程中，如果某节电池开始接近可容许的电压限值，微处理器单元3则向电池模块电压检测单元6发布命令，电池模块电压检测单元6收到指令后，输出平衡控制信号给平衡充电模块4，平衡充电模块4则接通该节电池，通过主动地为充电电流设置分路并将能量回送至电池模块，用来给电池模块中其余的电池充电，对来自具有较高电压的电池电荷进行再分配，用以给较弱的电池充电。

进一步：DC/DC单元2输出端连接有电压传感器9和电流传感器10，将检测到DC/DC单元2的输出电压和输出电流信号送入微处理器单元3，微处理器单元3根据DC/DC单元2的输出电压和输出电流信号的大小，输出控制信号给DC/DC单元2进行自动调节。

进一步：电池模块单元5连接有电池输出电压传感器11，将检测到的输出电压和输出电流信号送入微处理器单元3。

进一步：微处理器端口与键盘12和显示屏13连接，实现人机通信。

进一步：微处理器3与WIFI单元16连接，通过手机APP实现客户端的实时监控等功能。

进一步：微处理器3有USB17接口，支持通过USB口或SD卡的硬件程序更新。

进一步：微处理器3与散热风扇驱动单元14连接，通过散热风扇驱动单元14驱动散热风扇15的运转。

进一步：电池模块电压检测单元6输出基准电压给热敏电阻传感器19，通过温度检测电路输出一个随温度变化的电压给微处理器3。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果:

1、采用了主动平衡技术,从而提高了充电效率、充电速度和有效保护锂电池的使用寿命及安全，实现了不平衡电池模块中的容量恢复。

微处理器有USB接口，支持通过USB口或SD卡的硬件程序更新。

微处理器与WIFI单元连接，通过手机APP实现客户端的实时监控等功能。

微处理器单元根据电压电流传感器检测到的DC/DC输出信号，自动调节控制DC/DC输出信号的大小。

采用隔离式通讯接口芯片，降低了EMI（电磁干扰），从而大大提高了系统接线长度和信噪比性能。

采用电池模块电压检测单元，可监视电池模块中每节独立的电池，并通过一根专有的串行总线把该信息传送至微处理器单元对每一节进行有效的控制。

附图说明

图1：无人机智能充电机系统框图；

图2：无人机智能充电机平衡充电电路框图；

图3：无人机智能充电机微处理器控制框图；

图4：无人机智能充电机温度控制框图。

具体实施方式

图1是系统框图，包括AC/DC单元1、DC/DC单元2、微处理器单元3、平衡充电模块4、电池模块单元5、电池模块电压检测单元6、USB供电单元7及USB输出充电插口8、电压传感器9、电流传感器10、电池输出电压传感器11、键盘12及显示单元13、散热风扇驱动单元14及散热风扇15、wifi单元16及USB接口17。

交流电源输入到AC/DC单元1，经AC/DC单元1将交流电源变换为直流电源，该直流电源输出到DC/DC单元2。

单元2将固定的直流电压变换成可变的直流电压输出，一路输出到USB供电单元7，经USB供电单元后输出到USB输出充电插口8；另一路输出到平衡充电模块4，为平衡充电模块4提供充电电源。

平衡充电模块4与电池模块单元5连接，电池模块电压检测单元6与电池模块单元5连接。电池模块电压检测单元6可监视电池模块中5每节独立的电池，并通过一根专有的串行总线把该信息传送至微处理器单元3；在充电过程中，如果某节电池开始接近可容许的电压限值，微处理器单元3则向电池模块电压检测单元6发布命令，电池模块电压检测单元6收到指令后，输出平衡控制信号给平衡充电模块4，平衡充电模块4则接通该节电池，通过主动地为充电电流设置分路并将能量回送至电池模块，用来给电池模块中其余的电池充电，对来自具有较高电压的电池电荷进行再分配，用以给较弱的电池充电。这使得较弱的电池可以继续为负载供电，大大提高了电池模块的使用效率。

单元2输出端连接有电压传感器9和电流传感器10，将检测到DC/DC单元2的输出电压和输出电流信号送入微处理器单元3，微处理器单元3根据的输出电压和输出电流大小，输出控制信号给DC/DC单元2，用于调节输出电压和输出电流大小。

电池模块单元5连接有电池输出电压传感器11，将检测到的输出电压和输出电流信号送入微处理器单元3，用于显示和存储。

微处理器端口与键盘12和显示屏13连接，实现人机通信。

微处理器3与WIFI单元16连接，通过手机APP实现客户端的实时监控等功能。

微处理器3有USB17接口，支持通过USB口或SD卡的硬件程序更新

微处理器3与散热风扇驱动单元14连接，通过散热风扇驱动单元14驱动散热风扇15的运转。

图2是平衡充电原理框图，本发明采用的平衡充电是采用了一款专为电池模块的主动平衡而设计的模块，模块可显著实现对平衡电流的调节，同时减少了发热量。另外，模块主动平衡还可实现电池模块中不平衡单体电池的容量恢复，这是采用被动平衡系统无法获得的特性。模块内部包括一个集成的大电流高电压的电源开关，因而降低了应用电路的设计复杂性；该模块完全依靠其所放电的电池来运行，从而不必增设采用外部电源供电时通常所需的复杂偏置电路；该模块的相关端口可以和电池模块电压监视IC无缝地协调运作，当模块停用时，其消耗总静态电流只有nA级。

图2中A1到A12为平衡充电模块，A13为电池模块电压检测单元，平衡充电模块的主要管脚功能如下：GND是引脚地；SW是开关引脚，这是内部集成的大电流高电压的电源开关的集电极；Vin是电源引脚，把该引脚直接连接至电池正端；Vsns是电压检测引脚，把该引脚连接至与变压器的初级侧相连的电流检测电阻器，使用此引脚来测量从电池释放的平均电流；Ucell是电池电压监视器引脚，该引脚用于提供至电池的连接以实现正确的电压监视，把此引脚直接连接至正的电池端子；OUT是输出引脚,输出与内部IC温度成比例的电压，将该引脚连接至A13电池模块电压检测单元；DIN是数据输入引脚,将该引脚连接至A13电池模块电压检测单元的平衡输出端以实现平衡。

在图2中平衡充电模块的SW脚接有变压器T1初级侧，当电池模块电压检测单元A13的S1脚有平衡输出信号时，平衡充电模块A1的数据输入引脚DIN得到信号，平衡充电模块A1开始工作，此时“模块+”电流通过电阻R1、变压器T1初级侧、平衡充电模块A1的SW脚，对变压器T1初级侧充电，平衡充电模块A1内部NPN开关接通，并在初级绕组的两端施加电压，因此，初级线圈中的电流以一定的速率线性上升。初级线圈输入电压感应至次级绕组上，对次级侧串联二极管D1施加反射偏置并阻止次级绕组中的电流流动，于是能量被存储在变压器T1的磁芯中。当达到电流限值时，平衡充电模块内部电流限制比较器使开关锁存器复位，平衡充电模块进入操作的第二个阶段，即次级侧能量转移。存储在变压器T1磁芯中的能量对串联二极管D1施加正向偏置，D1导通电流流出输出到电池模块单元；在此期间，输出电压和二极管压降反射回初级线圈。在输出到变压器T1的次级侧能量转移过程中，电压将出现在初级绕组的两端，由于变压器的隔直作用，因此变压器T1初级绕组两端的电压将衰减至零，此时平衡充电模块A1内部NPN的集电极(SW引脚)电压将下降。当SW引脚电压降至低于某一值时，将设开始一个新的开关周期，工作状态继续。

这样通过主动地为充电电流设置分路并将能量回送至电池模块单元，解决了被动分流平衡器的两个局限性。能量没有被作为热量而白白损失，而是被再度用来给电池模块单元中其余的电池充电。

图2中“模块+”和“模块-”分别是电池模块单元的正负电源端。

以上只是分析了其中一路的工作过程，其它路的工作过程于此相同。

图2中A13是电池模块电压检测单元，其管脚C1至C12是电池信号输入脚，S1至S12是平衡输出控制脚，C1至C12分别与平衡充电模块A1至A12的OUT输出引脚连接，S1至S12分别与平衡充电模块A1至A12的DIN数据输入引脚连接，电池E1至E12分别连接平衡充电模块A1至A12的Ucell电池电压监视器引脚，Ucell引脚用于提供平衡充电模块至电池的连接，以实现正确的电池电压监视，此引脚直接连接至正的电池端子。

电池模块电压检测单元A13工作原理：大多数设备的锂电池模块都是使用多个串接的电池以增加可用的容量和电压。充电时必须对电池进行正确的充电，才能保证锂电池的安全和使用寿命，在充电过程中持续不断地监视其电压和温度并且绝对不允许超过安全水平;否则，电池的容量和寿命将大打折扣。为此本发明采用了电池模块电压检测单元A13来完成此项任务。电池模块电压检测单元A13可监视电池模块中每节独立的电池，并通过一根专有的串行总线把该信息传送至微处理器单元，如果某节电池开始接近可容许的电压限值，微处理器单元则向电池模块电压检测单元A13发布命令，电池模块电压检测单元A13收到指令后，输出平衡控制信号给平衡充电模块，平衡充电模块则接通该节电池，通过主动地为充电电流设置分路并将能量回送至电池模块，用来给电池模块中其余的电池充电，对来自具有较高电压的电池电荷进行再分配，用以给较弱的电池充电。这使得较弱的电池可以继续为负载供电，大大提高了电池模块的使用效率。

图3是微处理器控制框图，A0是微处理器单元，A14是隔离式通讯接口芯片LTC6820，LTC6820具有跨长达100米的外围接口(SPI)总线的双向传输距离。使用LTC6820时，SPI数据被编码成差分信号，然后通过双绞线和一个简单和低成本的以太网变压器发送。LTC6820支持高达1MHz的SPI数据速率，降低了EMI（电磁干扰），从而大大提高了系统接线长度和信噪比性能。

隔离式通讯接口芯片LTC6820主要管脚功能如下：

MOSI脚：主控器输出/受控器输入数据，该引脚将从微处理器Ａ0的SPI接收数据信号输出。

脚：SPI主控器输入/受控器输出数据。该引脚把数据信号输入驱动至主从微处理器Ａ0。

脚：SPI时钟输入/输出，该引脚将从从微处理器Ａ0接收时钟信号。

脚：SPI芯片选择输入/输出，则该引脚将从从微处理器Ａ0接收芯片选择信号。

脚：隔离式接口正(+)输入/输出。

脚：隔离式接口负（-）输入/输出。

图３中电池模块电压检测单元A13的IPA管脚是隔离型两线式串行接口＋端口；IMA管脚是隔离型两线式串行接口－端口；它们是一对差分输入/输出。

隔离式通讯接口芯片A14的IP脚和IM脚通过以太网变压器YT与电池模块电压检测单元A13的IPA管脚串行接口＋端口和IMA管脚串行接口－端口连接，进行串口通信。

隔离式通讯接口芯片A14的IP和IB外接分压电阻Ra和Rb，用于设定驱动电流和比较器门限值大小。

微处理器单元串口与A14隔离式通讯接口芯片串口连接，进行串口通信。

图中A15是I ² C串行EEPROM芯片(HC24C64)，电池模块电压检测单元A13的串行时钟SCK脚和串行数据SDA脚和I ² C串行EEPROM芯片A15的串行数据脚SDA及串行时钟脚SCL连接，用于存储相关信息。

电池模块电压检测单元A13的C1…C12是电池信号输入；S1…S12是平衡输出信号，这些引脚通过总线与平衡充电模块A1至A12的OUT输出引脚和S1至S12平衡入引脚连接；

平衡充电模块A1至A12分别外接单体电池E1…E12，由单体电池E1…E12组成一个电池模块，DC/DC单元输出直流充电电压到电池模块，一个电池模块的输出电压取决于串联电池单元的个数和每个电池单元的电压。锂离子电池单元的电压通常在3.3V到3.6V之间，因此一个电池模块的电压约在30V到45V之间。

电池模块中的单体电池E1…E12分别与平衡充电模块A1…A12连接，平衡充电模块A1…A12的OUT输出引脚,输出的是与内部IC温度成比例的电压，连接至A13电池模块电压检测单元的C1…C12电池输入脚；平衡充电模块A1…A12的DIN数据输入引脚连接至A13电池模块电压检测单元的S1…S12平衡输出控制脚；

图3无人机智能充电机微处理器控制框图的工作流程：A0微处理器单元串口与A14隔离式通讯接口芯片串口连接，进行串口通信;隔离式通讯接口芯片A14的IP脚和IM脚通过以太网变压器YT与电池模块电压检测单元A13的IPA管脚（串行接口＋）和IMA管脚（串行接口－）连接，进行串口通信；A0微处理器单元通过A14隔离式通讯接口芯片及以太网变压器YT扫描电池模块电压检测单元A13的IPA管脚（串行接口＋）和IMA管脚（串行接口－）的信息。

如果检测到某节电池开始接近可容许的电压限值，微处理器单元A0则向电池模块电压检测单元A13发布命令，电池模块电压检测单元A13收到指令后，输出平衡控制信号给平衡充电模块，平衡充电模块则接通该节电池，通过主动地为充电电流设置分路并将能量回送至电池模块，用来给电池模块中其余的电池充电，对来自具有较高电压的电池电荷进行再分配，用以给较弱的电池充电。这使得较弱的电池可以继续为负载供电，大大提高了电池模块的使用效率。

图4为电池模块单元温度检测原理图，电池模块电压检测单元输出基准电压Vjz，该电压加在电阻Ra和负温度系数热敏电阻传感器Rt上，通过分压得到一个随温度变化的电压输出微处理器；负温度系数热敏电阻传感器Rt放置在电池模块单元里面，在充电过程中，电池模块单元各电池会发热，电池模块单元内部温度升高Rt阻值减小，电池模块单元内部温度降低Rt阻值增大，一个随温度变化的电压送入微处理器，微处理器根据预置温度的大小控制输出到平衡充电模块电流大小，当温度达到极限值时，微处理器将停止DC/DC单元工作，保护电池模块单元的安全。

本发明无人机智能充电机，还具有欠压/过压监视功能，每当电池模块电压检测单元C端输入时，都会将测量结果与存储器中存储的欠压和过压门限进行比较。如果电池电压的测量读数高于过压限值，则电池模块电压检测单元存储器中的一个位被设定为标记。同样，低于欠压门限的测量结果也会导致设定一个标记，过压和欠压门限信息存储在配置寄存器组中，标记则存储于状态寄存器组B之中，这些信息都会通过电池模块电压检测单元与I ² C串行EEPROM芯片的串行数据将读取这些信息保存在I ² C串行EEPROM芯片里。

本发明的无人机智能充电机，软件采用采用模块化设计方法，C语言编写，软件功能模块较多，程序较大在此就不予以详细阐述。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知的现有技术，虽然本发明己通过有关的实施案例进行了图示和描述，但是，本专业技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种无人机智能充电机，包括由AC/DC单元（1）、DC/DC单元（2）、微处理器单元（3）、平衡充电模块（4）、电池模块单元（5）、电池模块电压检测单元（6）、USB供电单元（7）及USB输出充电插口（8）、电压传感器（9）、电流传感器（10）、电池输出电压传感器（11）、键盘（12）及显示单元（13）、散热风扇驱动单元（14）及散热风扇（15）、wifi单元（16）、USB接口（17）、隔离式通讯接口芯片（18）及热敏电阻传感器（19）组成；其特征在于：所述AC/DC单元（1）输入交流信号输出直流信号到DC/DC单元（2）；所述DC/DC单元（2）输出一路输出到USB供电单元（7），经USB供电单元后输出到USB输出充电插口（8）；另一路输出到平衡充电模块（4）；所述平衡充电模块（4）与电池模块单元（5）连接；所述电池模块电压检测单元（6）与电池模块单元（5）连接；所述电池模块电压检测单元（6）通过隔离式通讯接口芯片（18）与微处理器单元（3）连接；所述DC/DC单元（2）输出端连接有电压传感器（9）和电流传感器（10），将检测到DC/DC单元（2）的输出电压和输出电流信号送入微处理器单元（3）；所述电池模块单元（5）连接有电池输出电压传感器（11），将检测到的输出电压和输出电流信号送入微处理器单元（3）；所述微处理器端口与键盘（12）和显示屏（13）连接，实现人机通信；微处理器（3）与WIFI单元（16）连接，通过手机APP实现客户端的实时监控等功能；微处理器（3）有USB（17）接口，支持通过USB口或SD卡的硬件程序更新；所述微处理器（3）与散热风扇驱动单元（14）连接，通过散热风扇驱动单元（14）驱动散热风扇（15）的运转；所述电池模块电压检测单元（6）输出基准电压给热敏电阻传感器（19），通过温度检测电路输出一个随温度变化的电压给微处理器（3）。

2.根据权利要求1所述的一种无人机智能充电机，其特征在于：电池模块电压检测单元（6），其管脚C1至C12是电池输入脚，S1至S12是平衡输出控制脚，C1至C12分别与平衡充电模块（4）的A1至A12的OUT输出引脚连接，S1至S12分别与平衡充电模块（4）的A1至A12的DIN数据输入引脚连接。

3.根据权利要求1所述的一种无人机智能充电机，其特征在于：电池E1至E12分别连接平衡充电模块（4）的A1至A12的Ucell电池电压监视器引脚，Ucell引脚用于提供平衡充电模块至电池的连接，以实现正确的电池电压监视，此引脚直接连接至正的电池端子。

4.根据权利要求1所述的一种无人机智能充电机，其特征在于：由单体电池E1…E12组成一个电池模块。