CN105703415A - 一种无人直升机应急电源管理系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人直升机应急电源管理系统和方法，电压检测模块输入端外部连接锂电池组，输出端连接控制器模块；温度检测模块输入端外部连接锂电池组，输出端连接控制器模块，电流检测模块外部连接锂电池组，输出端连接控制器模块，均衡模块输入端连接控制器模块，外部输出端连接锂电池组；故障保护模块输入端连接控制器模块，输出端连接锂电池组放电回路继电器，均衡模块输入端连接控制器模块，外部输出端连接锂电池组。本发明具有充电过流保护和放电低压保护功能，锂电池组充电时电流大于预设阀值会控制外部限流板重启，以防止充电电流过大损坏电池。

Description

一种无人直升机应急电源管理系统和方法

技术领域

本发明涉及电池管理系统领域，具体地说是一种无人直升机应急电源管理系统和方法。

背景技术

无人直升机在飞行过程中发动机可能发生停车现象，此时需要提供稳定的外部直流电源对发动机进行再启动以及为机上设备供电。锂电池具有高比能，无记忆特性等突出优点，用来作为无人直升机的应急电源系统的供电源，体积小，重量轻，占用无人直升机的载重及空间资源小。

锂电池组过充、过放、充电不均衡，将影响其循环寿命，降低性能，甚至引起安全事故，这对无人直升机的安全性、可靠性具有很大影响，因此必须配备具有高可靠性的锂电池组管理系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种性能稳定、体积小、成本低、可靠性高的无人直升机应急电源管理系统和方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种无人直升机应急电源管理系统，电压检测模块输入端外部连接锂电池组，测量锂电池组的单体电压信号和总电压信号，输出端连接控制器模块，将锂电池组的单体电压信号和总电压信号发送给控制器模块；

温度检测模块输入端外部连接锂电池组，测量锂电池组的温度信号，输出端连接控制器模块，将锂电池组的温度信号发送给控制器模块；

电流检测模块外部连接锂电池组，测量锂电池组电流，输出端连接控制器模块，该模块由电源模块供电；

均衡模块输入端连接控制器模块，接收控制器模块发出的均衡控制信号，外部输出端连接锂电池组，对锂电池组进行充电均衡控制；

故障保护模块输入端连接控制器模块，接收控制器模块发出的断电信号，输出端连接锂电池组放电回路继电器，控制锂电池组放电回路供电；

均衡模块输入端连接控制器模块，接收控制器模块发出的控制信号，外部输出端连接锂电池组，对锂电池组进行充电均衡控制；

通讯模块连接控制器模块，负责电源管理系统与整机系统间的通讯。

所述温度检测模块由热敏电阻和分压电路组成。

所述电流检测模块由霍尔传感器和电压跟随电路组成。

所述电压检测模块由LTC6803-3及外围电路组成。

所述均衡模块采用被动均衡方式，由光耦开关、MOS管、二极管以及分压电阻组成，其中MOS管、二极管、分压电阻串联后与锂电池组的单体电池并联，光耦开关与MOS管G级连接，控制分压电路的通断。

一种无人直升机应急电源管理方法，包括以下步骤：

步骤1：对系统进行初始化，并通过电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块采集单体电池电压、温度、总电压和总电流信号；

步骤2：对锂电池组进行SOC估计并统计循环次数；

步骤3：对出现的故障进行诊断，并将锂电池组参数及故障诊断结果发送到整机系统；

步骤4：判断锂电池组的充放电状态，如果锂电池组处于充电状态，则执行充电控制程序，否则如果锂电池组处于放电状态，则执行放电控制程序。

所述SOC估计过程为：

通过安时积分法对锂电池组SOC进行估计，即SOC(k)＝SOC(k-1)+ΔT×I，在SOC估计的算法中，会通过将锂电池组电压U与锂电池组的充电饱和电压U_st进行比较，若两者相等，则将SOC值置为1。

所述对出现的故障进行诊断包括以下过程：

步骤1：读取锂电池组采样结果；

步骤2：如果锂电池组温度T₀大于阈值T_up，记录过热故障，并判断电池总电压U₀与单体电压之和的差值是否大于电压差异阈值U_dif，否则判断锂电池组温度T₀是否小于阈值T_down；

步骤3：如果锂电池组温度T₀小于阈值T_down，记录低温故障，并判断电池总电压U₀与单体电压之和的差值是否大于电压差异阈值U_dif，否则直接判断电池总电压U₀与单体电压之和的差值是否大于电压差异阈值U_dif；

步骤4：如果电池总电压U₀与单体电压之和的差值大于差异阈值U_dif，记录电压采样故障，并判断单体电压最大值U_max与最小值U_min差值是否大于不平衡阈值U_imb，否则直接判断单体电压最大值U_max与最小值U_min差值是否大于不平衡阈值U_imb；

步骤5：如果电池组单体电压最大值U_max与最小值U_min差值大于不平衡阈值U_imb，记录单体电池电压不平衡故障，并结束故障诊断，否则直接结束故障诊断。

所述充电控制程序包括以下过程：

步骤1：锂电池组处在充电状态；

步骤2：如果锂电池组电压大于点火装置启动电压，连通放电电路，否则判断充电电流是否大于阈值；

步骤3：连通放电电路后，如果锂电池组电压大于充电饱和电压，关闭限流板，结束充电，否则判断充电电流是否大于阈值；

步骤4：如果充电电流大于阈值，重启限流板并向整机系统发送充电故障信号，并结束充电控制，否则直接结束充电控制。

所述放电控制程序包括以下过程：

步骤1：锂电池组处于放电状态；

步骤2：如果锂电池组电压大于充电器启动电压，结束放电控制程序，否则判断锂电池组电压是否大于点火装置启动电压；

步骤3：如果锂电池组电压大于点火装置启动电压，开启限流板并结束放电控制，否则向整机系统发送低压报警信号，切断放电电路，开启限流板，并结束放电控制。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明为无人直升机应急电源管理系统，具有体积小，性能稳定，检测精度高，成本低，可靠性强等特点。

2.本发明具有充电过流保护和放电低压保护功能，锂电池组充电时电流大于预设阀值会控制外部限流板重启，以防止充电电流过大损坏电池；锂电池组电压低于发动机启动电压时，控制器会切断放电电路，立即将系统置于充电模式，并向整机系统发送报警信号，可保障系统安全运行。

3.本发明具有自动充电功能，当锂电池组总电压低于充电器启动电压时，控制器自动控制电池组停止放电并进入充电状态，智能化程度高，可靠性更强。

4.本发明具有自动报警功能，当电池放电过程中总电压低于预定阀值时，将向上位机发送报警信号，并且报警指示灯持续发亮。

附图说明

图1本发明的模块框图；

图2本发明的电路连线图；

图3本发明均衡模块电路原理图；

图4本发明方法流程图；

图5本发明故障诊断流程图；

图6本发明SOC估计方法流程图；

图7为本发明的充电控制程序流程图；

图8为本发明的放电控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明基于磷酸铁锂电池的无人直升机应急电源系统，设计了一套应急电源管理系统。该系统具有检测、数据处理以及故障保护等功能：可实时检测锂电池组的电压、电流、温度等参数；根据锂电池组的参数，进行SOC估计和故障诊断；根据检测及数据处理结果，对锂电池组进行管理，包括充、放电控制，故障保护以及数据传送。该系统可保障锂电池组安全使用，提高应急电源系统可靠性，有效保障无人直升机的安全运行。

如图1所示，本发明所述的无人直升机电压检测模块、温度检测模块、电流检测模块、控制器模块、电源模块、通讯模块、故障保护模块、均衡模块。电压检测模块、温度检测模块、电流检测模块外部连接锂电池组，输出端连接控制器模块，测量锂电池组的电压、温度、电流等参数，并将测量结果发送到控制器模块。控制器模块根据锂电池组测量参数，进行SOC估计、故障诊断，并根据电池组参数以及数据处理结果，对锂电池组充放电进行控制，若锂电池组SOC过低，自动控制充电机对锂电池组充电，并控制均衡充电模块进行充电均衡；若锂电池组发生较严重故障，如温度过高、放电电压过低等，控制故障保护模块切断放电电路，避免故障情况进一步恶化。控制器模块通过通讯模块与整机系统进行通讯，将锂电池组参数、故障情况上传，并接收整机系统。

应急电源管理系统与外电路的连线方式如图2所示，外电路主要由发动机点火装置、限流板、发电机、锂电池组、放电电路继电器构成，不在本发明范围内，要由客户自行配置。限流板的主要功能是当电池组的充电电流大于10A时，充电电流限制为10A，以防止过大的充电电流对电池造成损伤，若关闭限流板则充电电路断路。发电机即为无人直升机发动机，发动机在正常工作状态下将燃油内能转化为电能为锂电池组充电，但是若发生发动机停车事故，发动机停止工作，此时需要锂电池组为发动机点火装置提供电能点火，因此保障此时锂电池组电量充足是本发明的重点之一。电流检测模块中的霍尔传感器连接放电电路，测量锂电池组的总电流，并将信号传递到控制器模块，控制器模块根据此值进行SOC估计。控制器模块控制端口通过向故障保护模块以及限流板发送控制信号分别对系统的放电回路和充电回路进行控制。其中，对放电回路的控制过程为：当控制器模块控制端口输出低电平时，故障保护模块继电器导通，同时使放电电路继电器导通，锂电池组可为发动机点火装置供电，若控制器模块控制端口输出高电平，则整个放电回路断开。故障保护模块继电器为小功率继电器，通过控制小功率继电器可间接控制外电路中的大功率继电器，由于故障保护模块继电器体积、电流均较小，可靠性高，利于系统集成，对于减小整个系统体积，提高系统安全性具有重要作用。对充电回路控制过程为：控制器向限流板发出控制信号，控制限流板的导通、断开和重启等过程，需要对锂电池组充电时限流板导通，锂电池组完成充电后限流板断开，若限流板电流大于10A，说明限流板故障，重启限流板修复故障。

系统均衡模块电路原理图如附图3所示，Ic为干路充电电流，其大小根据电池组平均充电程度进行调节，各电池的充电电流为Ib1，Ib2，…Ib16，电压为Ub1，Ub2，…Ub16。分流电阻分流大小为IS1，IS2，…IS16，与对应的控制开关S1，S2…S16构成了均衡电路。控制器根据电池充电情况及相应算法，通过调节控制开关的连通时间的占空比来实现对单体电池的均衡。其控制算法为，当锂电池组电压高于平台期后，根据锂电池组电压值进行充电均衡，电压最高的单体电池均衡控制开关占空比为1，电压最低的单体电池均衡控制开关占空比为0，其余电池控制开关占空比与电压最小电池的电压差值成正比。

本发明的方法流程图如图4所示。步骤1：系统初始化。步骤2：对锂电池组电压、电流、温度等信号进行采集。步骤3：进行锂电池组SOC估计及循环次数统计。步骤4：进行故障诊断。步骤5：将锂电池组参数及故障信息发送到整机系统。步骤6：判断电池组充、放电状态。步骤7：若锂电池组处于充电状态，执行充电控制程序，并跳转至步骤2。步骤8：若锂电池组处于放电状态，执行放电控制程序，并跳转至步骤2。

系统初始化包括对计数器、时钟、端口、通讯、AD等模块的初始配置。初始化后，读取相应端口的数据即可完成电压、电流、温度等信号的采集。SOC估计算法为安时积分法，这种方法计算量小，计算速度快，占用系统资源少，是目前应用最广泛的SOC估计方法。对锂电池组的循环次数统计是为了循环次数达到额定值后及时对锂电池组进行更换。为避免电池剩余电量较大时进入充电状态仍然记为一次充电造成的循环次数统计不准确，本发明采用的循环次数统计方法为，电池SOC低于95％时记为0.1次循环，低于80％时记为0.5次循环，低于50％后记为1次循环，这样统计的循环次数与锂电池组的真实状态更相符。通过比较采集的温度、电压信号是否超出预设阈值判断高低温、高压故障，比较单体电池电压之和与总电压是否相等判断电压采样故障，比较单体电压值的差值是否超出预设阈值判断单体电池电压不平衡故障。通过CAN通讯将电压、电流、温度采样结果及故障信息发送到整机系统。通过电流方向判断出锂电池组的充/放电状态。对于军用直升机发动机停车再启动电源系统，锂电池组总电压低于启动电压将直接导致无法完成重启发动机的操作，这会引发严重事故，因此发生这种情况时将切断放电电路，并向上位机发送故障信号，使报警指示灯常亮，同时立刻对锂电池组进行充电，并且在充电电压大于点火装置启动电压后立即连通放电电路，这种设置方式可靠性最高，在最大程度上保障发动机停车后锂电池组可及时提供启动电源。在充电过程中若限流板失效充电电流过大易导致锂电池组爆炸，属于较严重的故障，因此这种故障发生时控制器模块会向整机系统发送报警信号，并重启限流板，使限流板重新恢复正常工作状态。

本发明所述的故障诊断方法如图5所示，BMS针对锂电池组高温、低温、采样故障以及单体电池电压不平衡等故障进行诊断，其中Tup、Tdown、Udif、Uimb分别是系统高温、低温、电压差异以及电压不平衡阈值。

本发明SOC估计方法流程图如图6所示，采用计算量最小的安时积分法对电池组SOC进行估计，即SOC(k)＝SOC(k-1)+ΔT×I，在SOC估计的算法中，会通过将锂电池组电压U与锂电池组的充电饱和电压Ust进行比较，若两者相等，则将SOC值置为1，这一过程是为了消除长时间进行积分运算造成估计结果与真实SOC值之间的误差累计，利于提高估计结果的准确性。

无人直升机应急电源管理系统，主要由电压检测模块、温度检测模块、电流检测模块、控制器模块、电源模块、通讯模块、故障保护模块、均衡模块构成；电压检测模块外部连接锂电池组，测量锂电池组单体电压和总电压，输出端连接控制器模块；温度检测模块外部连接锂电池组，测量锂电池组温度，输出端连接控制器模块；电流检测模块外部连接锂电池组，测量锂电池组电流，输出端连接控制器模块，该模块由电源模块供电；控制器模块输入端连接电压检测模块、温度检测模块、电流检测模块，输出端连接故障保护模块、均衡模块，该模块由电源模块供电；控制器模块还与通讯模块连接，向整机系统发送参数，并接收控制命令；电源模块与电流检测模块、控制器模块、通讯模块、故障保护模块、均衡模块连接，为上述模块供电；通讯模块与控制器模块连接，负责控制器模块与整机系统间的通讯，该模块由电源模块供电；故障保护模块输入端连接控制器模块，输出端连接锂电池组放电回路继电器，当锂电池组发生严重故障时，可切断锂电池组放电回路，停止对外供电，该模块由电源模块供电；均衡模块输入端连接控制器模块，外部输出端连接锂电池组，对锂电池组进行充电均衡控制。电压检测模块，主要由LTC6803-3及外围电路构成，可直接测量锂电池组的单体电池电压，并将测量结果转化成数字量，发送到控制器模块；温度检测模块由热敏电阻及分压电路构成，测量的模拟量直接输出到控制器模块，由控制器模块内部的AD转换器转换成数字量。电流检测模块由霍尔传感器和电压跟随电路构成，测量的模拟信号直接输出到控制器模块，由控制器内部AD转换器转换成数字量。控制器模块主要由C8051F500单片机及外围电路构成，读取电压检测模块、电流检测模块、温度检测模块的测量结构，并根据这些结果进行SOC估计，充放电循环次数统计，故障诊断，以及充、放电控制，故障报警等操作。通讯模块主要由MAX3080ESD芯片及外围电路构成，将锂电池组各项参数发送给整机系统，并接收整机系统命令传送到控制器模块。故障保护模块主要有继电器构成，该继电器与锂电池组输出回路中的继电器控制端连接，可直接控制锂电池组放电回路的通断。均衡模块采用被动均衡方式，由光耦开关、MOS管、二极管以及分压电阻构成，其中MOS管、二极管、分压电阻串联后，与锂电池组的单体电池并联，光耦开关与MOS管G级连接，控制分压电路的通断。

如图7所示为本发明的充电控制程序流程图；

步骤1：锂电池组处在充电状态。

步骤2：若锂电池组电压大于点火装置启动电压，连同放电电路，否则判断充电电流是否大于阈值。

步骤3：连同放电电路后，若锂电池组电压大于充电饱和电压，关闭限流板，结束充电，否则判断充电电流是否大于阈值。

步骤4：若充电电流大于阈值，重启限流板并向整机发送充电故障信号，并结束充电控制，否则直接结束充电控制。

图8为本发明的放电控制程序流程图。

步骤1：锂电池组处于放电状态。

步骤2：若锂电池组电压大于充电器启动电压，结束放电控制程序，否则判断电池组电压是否大于点火装置启动电压。

步骤3：若电池组电压大于点火装置启动电压，开启限流板并结束放电控制，否则向整机系统发送低压报警信号，切断放电电路，开启限流板，并结束放电控制。

Claims (10)

1.一种无人直升机应急电源管理系统，其特征在于：电压检测模块输入端外部连接锂电池组，测量锂电池组的单体电压信号和总电压信号，输出端连接控制器模块，将锂电池组的单体电压信号和总电压信号发送给控制器模块；

温度检测模块输入端外部连接锂电池组，测量锂电池组的温度信号，输出端连接控制器模块，将锂电池组的温度信号发送给控制器模块；

电流检测模块外部连接锂电池组，测量锂电池组电流，输出端连接控制器模块，该模块由电源模块供电；

均衡模块输入端连接控制器模块，接收控制器模块发出的均衡控制信号，外部输出端连接锂电池组，对锂电池组进行充电均衡控制；

故障保护模块输入端连接控制器模块，接收控制器模块发出的断电信号，输出端连接锂电池组放电回路继电器，控制锂电池组放电回路供电；

均衡模块输入端连接控制器模块，接收控制器模块发出的控制信号，外部输出端连接锂电池组，对锂电池组进行充电均衡控制；

通讯模块连接控制器模块，负责电源管理系统与整机系统间的通讯。

2.根据权利要求1所述的无人直升机应急电源管理系统，其特征在于：所述温度检测模块由热敏电阻和分压电路组成。

3.根据权利要求1所述的无人直升机应急电源管理系统，其特征在于：所述电流检测模块由霍尔传感器和电压跟随电路组成。

4.根据权利要求1所述的无人直升机应急电源管理系统，其特征在于：所述电压检测模块由LTC6803-3及外围电路组成。

5.根据权利要求1所述的无人直升机应急电源管理系统，其特征在于：所述均衡模块采用被动均衡方式，由光耦开关、MOS管、二极管以及分压电阻组成，其中MOS管、二极管、分压电阻串联后与锂电池组的单体电池并联，光耦开关与MOS管G级连接，控制分压电路的通断。

6.一种无人直升机应急电源管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对系统进行初始化，并通过电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块采集单体电池电压、温度、总电压和总电流信号；

步骤2：对锂电池组进行SOC估计并统计循环次数；

步骤3：对出现的故障进行诊断，并将锂电池组参数及故障诊断结果发送到整机系统；

步骤4：判断锂电池组的充放电状态，如果锂电池组处于充电状态，则执行充电控制程序，否则如果锂电池组处于放电状态，则执行放电控制程序。

7.根据权利要求6所述的无人直升机应急电源管理方法，其特征在于：所述SOC估计过程为：

通过安时积分法对锂电池组SOC进行估计，即SOC(k)＝SOC(k-1)+ΔT×I，在SOC估计的算法中，会通过将锂电池组电压U与锂电池组的充电饱和电压U_st进行比较，若两者相等，则将SOC值置为1。

8.根据权利要求6所述的无人直升机应急电源管理方法，其特征在于，所述对出现的故障进行诊断包括以下过程：

步骤1：读取锂电池组采样结果；

步骤2：如果锂电池组温度T₀大于阈值T_up，记录过热故障，并判断电池总电压U₀与单体电压之和的差值是否大于电压差异阈值U_dif，否则判断锂电池组温度T₀是否小于阈值T_down；

步骤3：如果锂电池组温度T₀小于阈值T_down，记录低温故障，并判断电池总电压U₀与单体电压之和的差值是否大于电压差异阈值U_dif，否则直接判断电池总电压U₀与单体电压之和的差值是否大于电压差异阈值U_dif；

步骤4：如果电池总电压U₀与单体电压之和的差值大于差异阈值U_dif，记录电压采样故障，并判断单体电压最大值U_max与最小值U_min差值是否大于不平衡阈值U_imb，否则直接判断单体电压最大值U_max与最小值U_min差值是否大于不平衡阈值U_imb；

步骤5：如果电池组单体电压最大值U_max与最小值U_min差值大于不平衡阈值U_imb，记录单体电池电压不平衡故障，并结束故障诊断，否则直接结束故障诊断。

9.根据权利要求6所述的无人直升机应急电源管理方法，其特征在于，所述充电控制程序包括以下过程：

步骤1：锂电池组处在充电状态；

步骤2：如果锂电池组电压大于点火装置启动电压，连通放电电路，否则判断充电电流是否大于阈值；

步骤3：连通放电电路后，如果锂电池组电压大于充电饱和电压，关闭限流板，结束充电，否则判断充电电流是否大于阈值；

步骤4：如果充电电流大于阈值，重启限流板并向整机系统发送充电故障信号，并结束充电控制，否则直接结束充电控制。

10.根据权利要求6所述的无人直升机应急电源管理方法，其特征在于，所述放电控制程序包括以下过程：

步骤1：锂电池组处于放电状态；

步骤2：如果锂电池组电压大于充电器启动电压，结束放电控制程序，否则判断锂电池组电压是否大于点火装置启动电压；

步骤3：如果锂电池组电压大于点火装置启动电压，开启限流板并结束放电控制，否则向整机系统发送低压报警信号，切断放电电路，开启限流板，并结束放电控制。