CN105391162B - 无人机不间断供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机不间断供电系统，包括发电机、蓄电池、不间断控制电路、不间断汇流条和主汇流条，其中，蓄电池与不间断控制电路输入端连接，该不间断控制电路输出端连接不间断汇流条，发电机与主汇流条连接，并通过主汇流条连接不间断汇流条；不间断汇流条直接向无人机不间断负载分配电源，主汇流条直接向无人机其他负载分配电源；不间断控制电路用于根据发电机输出电压进行供电回路切换，当发电机输出电压低于最低工作电压阈值时，该不间断控制电路导通，当发电机输出电压高于最低工作电压阈值时，该不间断控制电路关断。本发明电源切换无间隔，选用高电位的蓄电池作为不间断电源，有效改进了现有技术中无人机双路供电的平稳切换问题。
Description
技术领域
本发明涉及双路电源无缝切换技术领域，尤其涉及一种无人机不间断供电系统。
背景技术
无人机机载电源分为发电机电源和应急电源两类。正常情况下，由发电机为全机提供连续电能；在发电机电源失效的情况下，采用机载蓄电池作为应急电源为无人机供电。在发电机与蓄电池的电源切换过程中，会出现供电中断间隙。而无人机控制系统中的飞控、惯导等设备作为一种全电控制系统，要求工作电源不能间断。为了满足这些设备的不间断供电要求，一般采取以下两种方式：
一、采用直连浮充方式连接蓄电池
低压直流供电无人机的发电机输出额定电压为28.5V，现国内多采用标称电压为24V的蓄电池直接挂靠于相应的汇流条。发电机正常工作输出额定电压时，蓄电池处于浮充状态，不对外放电；当发电机电压跌落至24V以下时，自动切换到蓄电池供电。
缺点：采用浮充方式连接蓄电池时，要求蓄电池的电压低于发电机电压下限。蓄电池电压偏低将导致送达用电设备端的电源电压也有较大幅度的偏低。尤其当蓄电池负载较大时，蓄电池带载电压进一步降低，输电线路压降进一步增大，有可能导致送达用电设备端的电源电压低于设备正常工作电压范围。目前一般采用增大蓄电池容量的方式提高其带载时的电压，并在飞机上增加大容量电容。这也必然增加飞机的重量和成本，对于无人机这类轻型飞机来说代价较大。
二、采用继电器和大容量支撑电容的不间断供电切换电路
为了使蓄电池供电时能够输出较高电压并同时减轻蓄电池重量，可将蓄电池电压提高至比发电机电压略高的水平，如30V左右。而蓄电池电压提高后，便不能将蓄电池与汇流条直接连接，需设置相应的主电源与应急电源转换控制电路，以防止蓄电池在非应急工作时放电。由此带来另一个问题：在发电机电源与蓄电池电源供电切换的过程中，会产生短暂的断电，需设置专门的不间断供电电路保证无人机飞控、惯导等设备的正常工作，以保证其数据不丢失。根据航空工业相关标准，对于具有不间断供电要求的数字式航空电子设备，允许供电中断时间应小于50μs。
如图1所示，目前国内多采用快速反应继电器作为供电切换器件，并通过在用电设备端设置大容量支撑电容来消除不间断供电设备在电源切换时出现的供电中断间隙。以汇流条电压采样值作为控制驱动电路的输入，当汇流条电压值低于某门限值后，由控制驱动电路驱动继电器动作，将发电机电源切换至蓄电池电源。电源切换开关器件选用响应速度快的继电器，可尽量缩短电源切换中出现的掉电间隔时间，再通过在设备端合理配置电容，可满足设备的不间断供电要求。
综上所述，现有技术的缺点主要有以下两点：
一是电路较复杂，同时也降低了电路的基本可靠性；
二是以快速反应继电器作为不间断供电切换电路的切换器件，机械触点动作时仍存在短时的电源掉电时间，需通过外加支撑电容实现不间断供电，增加了电路的重量和复杂程度，同时带来了无人机重量增加问题。
发明内容
本发明的目的是为解决目前无人机双电源供电时，两路电源之间的切换存在短时的掉电时间，需通过外加支撑电容实现不间断供电，切换系统的重量大，复杂程度高，可靠性低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种无人机不间断供电系统，包括发电机、蓄电池、不间断控制电路、不间断汇流条和主汇流条，其中，所述蓄电池与所述不间断控制电路输入端连接，该不间断控制电路输出端连接所述不间断汇流条，所述发电机与所述主汇流条连接，并通过主汇流条连接所述不间断汇流条；所述不间断汇流条直接向无人机不间断负载分配电源，所述主汇流条直接向无人机其他负载分配电源；所述不间断控制电路用于根据发电机输出电压进行供电回路切换，当发电机输出电压使所述不间断汇流条电压低于最低工作电压阈值时，该不间断控制电路导通，当发电机输出电压使不间断汇流条电压高于最低工作电压阈值时，该不间断控制电路关断，所述最低工作电压阈值由所述不间断负载的最低工作电压决定。
优选地，所述不间断控制电路由稳压电路和模拟开关电路串联构成，所述稳压电路的输入端连接所述蓄电池，该稳压电路输出端连接所述模拟开关电路输入端，用于稳定所述模拟开关电路的输入电压；所述模拟开关电路输出端与所述不间断汇流条连接，当所述不间断汇流条电压低于最低工作电压阈值时，该模拟开关电路导通并放大蓄电池的供电电流，当所述不间断汇流条电压高于最低工作电压阈值时，该模拟开关电路关断。
优选地，所述稳压电路由限流电阻和稳压二极管串联构成，所述限流电阻连接所述稳压二极管的负极，稳压二极管的正极接地。
优选地，所述稳压二极管的门限电压为所述不间断汇流条最低工作电压阈值与所述模拟开关电路压降之和。
优选地，所述模拟开关电路由多个三极管或场效应管串联组成。
优选地，所述模拟开关电路由三只三极管或场效应管串联组成。
优选地，所述模拟开关电路由达林顿放大电路和三极管串联组成。
优选地，所述主汇流条和不间断汇流条之间设有隔离电路，该隔离电路用于阻断所述蓄电池的电流通过所述不间断汇流条进入主汇流条。
优选地，所述隔离电路为一组并联的二极管，该组二极管的正极连接所述主汇流条，其负极连接所述不间断汇流条。
优选地，在所述蓄电池和所述不间断控制电路之间设有蓄电池开关。
本发明结构简单、成本低、重量轻，仅以少数三极管、稳压管等分立元件构建无人机的双路电源供电切换电路，减少了系统的体积、重量，也能够极大地节省成本；可靠性高，精简的电路设计提高了系统的可靠性；电源切换无间隔，以三极管(或场效应管)构建供电切换电路，而不使用现有技术中普遍采用的继电器、接触器之类的机械触点开关，从而避免了触点切换过程中出现的电源电压跌落的现象；支持高电位的蓄电池作为不间断电源，系统将高于发电机电源电位的蓄电池作为发电机的备用电源，使得发电机失效情况下设备仍能获得较高电位的电源，避免传统浮充方式连接蓄电池时所出现的供电电压不足的情况。
附图说明
图1为现有技术原理框图；
图2为本发明的原理框图；
图3为本发明实施例一的系统结构图；
图4为本发明实施例二的系统结构图；
图5为本发明实施例中供电电压监测结果图；
图6为本发明实施例中供电电压示波器实时监测图。
图中，蓄电池1；蓄电池开关2；不间断控制电路3；不间断汇流条4；发电机5；主汇流条6；不间断用电设备7；其他机载用电设备8。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，且其不应理解为对本发明的限制。
如图2所示的原理框图，本发明的无人机不间断供电系统，蓄电池1通过蓄电池开关2连接到不间断控制电路3，不间断控制电路3通过不间断汇流条4连接到不间断用电设备(或称不间断负载)7；发电机5通过主汇流条6分别连接到不间断汇流条4和其他机载用电设备(或称其他机载负载)8，发电机5正常工作时，为不间断用电设备7和其他机载用电设备8供电。当发电机5故障时，其输出电压跌落，当发电机5的输出电压使不间断汇流条电压低于最低工作电压阈值V1时，不间断控制电路3导通，切换到由蓄电池1通过不间断汇流条4为不间断用电设备7供电，保证了无人机的飞控、惯导等不间断负载设备在发电机故障时正常工作；当发电机5的输出电压使不间断汇流条电压高于最低工作电压阈值V1时，发电机5的故障排除，不间断控制电路3关断，重新切换到由发电机5为所有用电设备供电,上述最低工作电压阈值V1为不间断用电设备7正常工作的最低电压。另外，本发明可在不间断汇流条4和主汇流条6之间设置隔离电路，使流经不间断汇流条4的电流不能流向主汇流条6，从而蓄电池1不会为其他机载用电设备8供电，节省蓄电池1的电量。
如图3所示的实施例一，不间断控制电路3由稳压电路和模拟开关电路串联而成，不间断汇流条4和主汇流条6之间设有隔离电路。其中，稳压电路包括限流电阻R和稳压二极管W，限流电阻R连接稳压二极管W的负极，稳压二极管W的正极接地。模拟开关电路由两个三极管A1、B1组成的达林顿放大电路和三极管C1串联而成，达林顿放大电路用于提升驱动能力，C1为大功率三极管，用于通过蓄电池1的输出电流，C1的输出电流应满足不间断用电设备7的功率要求。隔离电路包括一对并联的二极管D1和D2，二极管D1和D2的正极均连接主汇流条6，二极管D1和D2的负极均连接不间断汇流条4，阻断流经不间断汇流条4的电流i流向主汇流条6。
本实施例中，依据航空低压直流发电机的供电标准，发电机5的额定电压为28.5V，对于不间断转换电路3来说，其转换供电的阈值取决于不间断负载的要求，本实施例的飞控设备要求最低工作电压不低于22V，考虑机上线路压降为2V，那么不间断汇流条4的最低工作电压阈值就应为24V。当发电机5的供电电压不能使不间断汇流条达到24V时，不间断转换电路3就应切换至蓄电池供电，此时，模拟开关电路压降为三个三极管的压降之和0.7*3＝2.1V，则稳压二极管W门限值应为24+2.1＝26.1V。
当发电机5正常工作时，主汇流条6和不间断汇流条4均由发电机5提供电源，发电机5的输出电压Vp高于24.7V，二极管D1和D2的压降V5＝0.7V，此时不间断汇流条4的电压V4＝Vp-V5，高于上述不间断汇流条的最低工作电压阈值24V，模拟开关电路的三只三极管A1、B1和C1皆处于关断状态，不间断汇流条4由主汇流条6提供发电机5电源，蓄电池1的空载电压Vc＝29V～34V，虽高于发电机5的输出电压Vp，却不对设备供电，仅通过稳压二极管W放电，且限流电阻R可使得其放电电流很小，仅为几个毫安，对蓄电池1容量的影响可忽略不计。
当发电机5发生故障时，输出电压出现跌落，当Vp低于DC24.7V时，二极管D1和D2的压降V5＝0.7V，不间断汇流条4的电压V4＝Vp-V5，低于最低工作电压阈值24V，达到不间断控制电路3的切换电压，模拟开关电路导通，蓄电池1电流经A1、B1管放大后，驱动C1管导通，沿图中电流i方向对不间断汇流条4供电，保证不间断负载正常工作。同时，因为隔离电路的存在，并联的二极管阻断了蓄电池电流i向主汇流条6的流动，即切断了向不要求全电工作的其他机载设备的供电。当发电机5恢复正常工作，供电电压Vp超过DC24.7V，不间断汇流条4的电压高于最低工作电压阈值24V，三极管A1、B1和C1关断，不间断汇流条4恢复由主汇流条6供电，从而节省了蓄电池1的电能。
作为实施例一的一种变形，图3中作为隔离电路的二极管D1和D2也可去除，即将不间断汇流条4与主汇流条6直连，则当发电机故障时，蓄电池将向全部机载设备供电，会影响对不间断用电设备的供电支持。
如图4所示的实施例二，在图3所示实施例一的基础上，将三极管A1、B1和C1分别替换为场效应管A2、B2和C2，A2与B2之间及B2和C2之间分别串接限流电阻R1和R2，其工作原理与图3所示的实施例类似，此处不再赘述。
图5和图6为本实施例中对发电机电压和不间断汇流条电压的示波器实时监测，发电机5的输出电压Vp在图5中向下的箭头处开始呈抛物线下降，则此时发电机5发生故障，当电压跌落到图5中向左的箭头处，即V1时，不间断汇流条的电压V4发生了小幅的连续下降，表明电源由发电机5自动切换到了蓄电池1，但电压V4的波形保持连续，没有间断，完成了无缝切换，达到预期效果。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1.无人机不间断供电系统，其特征在于，包括发电机、蓄电池、不间断控制电路、不间断汇流条和主汇流条，其中，所述蓄电池与所述不间断控制电路输入端连接，该不间断控制电路输出端连接所述不间断汇流条，所述发电机与所述主汇流条连接，并通过主汇流条连接所述不间断汇流条；
所述不间断汇流条直接向无人机不间断负载分配电源，所述主汇流条直接向无人机其他负载分配电源；
所述不间断控制电路用于根据发电机输出电压进行供电回路切换，当发电机输出电压使所述不间断汇流条电压低于最低工作电压阈值时，该不间断控制电路导通，当发电机输出电压使不间断汇流条电压高于最低工作电压阈值时，该不间断控制电路关断，所述最低工作电压阈值由所述不间断负载的最低工作电压决定；
所述不间断控制电路由稳压电路和模拟开关电路串联构成，所述稳压电路的输入端连接所述蓄电池，该稳压电路输出端连接所述模拟开关电路输入端，用于稳定所述模拟开关电路的输入电压；所述模拟开关电路输出端与所述不间断汇流条连接，当所述不间断汇流条电压低于最低工作电压阈值时，该模拟开关电路导通并放大蓄电池的供电电流，当所述不间断汇流条电压高于最低工作电压阈值时，该模拟开关电路关断。
2.根据权利要求1所述的无人机不间断供电系统，其特征在于，所述稳压电路由限流电阻和稳压二极管串联构成，所述限流电阻连接所述稳压二极管的负极，稳压二极管的正极接地。
3.根据权利要求2所述的无人机不间断供电系统，其特征在于，所述稳压二极管的门限电压为所述不间断汇流条最低工作电压阈值与所述模拟开关电路压降之和。
4.根据权利要求1所述的无人机不间断供电系统，其特征在于，所述模拟开关电路由多个三极管或场效应管串联组成。
5.根据权利要求4所述的无人机不间断供电系统，其特征在于，所述模拟开关电路由三只三极管或场效应管串联组成。
6.根据权利要求5所述的无人机不间断供电系统，其特征在于，所述模拟开关电路由达林顿放大电路和三极管串联组成。
7.根据权利要求1-6任一所述的无人机不间断供电系统，其特征在于，所述主汇流条和不间断汇流条之间设有隔离电路，该隔离电路用于阻断所述蓄电池的电流通过所述不间断汇流条进入主汇流条。
8.根据权利要求7所述的无人机不间断供电系统，其特征在于，所述隔离电路为一组并联的二极管，该组二极管的正极连接所述主汇流条，其负极连接所述不间断汇流条。
9.根据权利要求8所述的无人机不间断供电系统，其特征在于，在所述蓄电池和所述不间断控制电路之间设有蓄电池开关。
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Legal Events
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20171227 Address after: Tianjin city Wuqing District 301700 Tin Shui Road No. 3 Building No. 4 industrial robot accelerator quadrant aviation Applicant after: QUADRANT SPACE (TIANJIN) TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100085 Beijing city Haidian District Shuangqing Road No. 3 room 31029 Applicant before: BEIJING QUADRANT SPACE TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Uninterruptible power supply system for drones Granted publication date: 20180525 Pledgee: Bank of Shanghai Limited by Share Ltd. Tianjin branch Pledgor: QUADRANT SPACE (TIANJIN) TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024120000004 |