CN108631392A - 一种无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统及方法。该系统包括太阳能可控充电电路、无线可控充电电路、充电口电路、锂电池组充放电切换电路、自适应匹配输出电路、MCU（微程序控制器）控制电路。其中太阳能可控充电电路、无线可控充电电路和充电口电路共同实现对锂电池组的太阳能和无线的多模充电；锂电池组充放电切换电路使得锂电池组中的单体锂电池进行循环充、放电；自适应匹配输出电路实现不同电压的输出；MCU控制电路负责给出控制信号，控制整个电源管理系统有序工作。该系统能有效提高无人水下航行器的续航力、稳定性以及适配性。

Description

一种无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统及方法

技术领域

本发明涉及太阳能充电及无线充电技术领域，特别是涉及一种应用于无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统及方法。

背景技术

无人水下航行器作为无人运载平台的一个重要分支，在军用领域和民用领域发挥着重要作用。过去30年，众多海洋强国所制造的无人水下航行器已超过9000艘，用以完成各种水下任务。这些无人水下航行器已经在救援、搜索、科考等领域展现出自身优越性。2016年我国首个便携式水下无人自主航行器亮相珠海航展，该无人水下自主航行器采用便携式设计，布放回收简便快捷；操作简单，学习周期短；模块化设计，扩展性强，可以很方便地搭载包括CTD（温盐湿仪）、DVL（多普勒速度仪）、摄像机、侧扫声呐、多波束成像声呐、长基线/超短基线信标等各类水下设备；安全性高，具备超深、超时停车、超出范围报警、紧急情况抛载等安全功能；具有卫星定位指示功能，确保安全回收。同时该无人水下航行器可应用于海洋物理、化学参数测量、浅海地形地貌勘测、浅海石油管线检测以及江河湖泊、水库、大坝水下勘察。通过加装各类设备可进行水下考古（加装侧扫声呐、多波束成像声呐）、水下搜索与救援（加装摄像机、多波束成像声呐）、港口地质勘察（加装摄像机、多波束成像声呐）、环境监测（加装水质传感器）等。

随着无人水下航行器的广泛应用，能源成为限制其续航能力及可持续作业能力的主要因素。现在无人水下航行器的能源主要是锂电池组，因此为锂电池组选择合适的充电以及管理系统十分必要。目前大部分无人水下航行器仍然采用有线充电的方式为锂电池组充电，由于无人水下航行器在水下工作的特点，这种有线充电的方式会破坏水下航行器的密闭性，同时在充电的时候需要回收航行器，增加了操作成本。除了有线充电之外，太阳能充电也被应用于无人水下航行器，我国太阳能丰富，有近7成的国土面积日照量超过2000小时，但是单独的太阳能充电方式在阴雨天等天气环境下无法使用，无法使无人水下航行器全天候工作。

与此同时，目前无人水下航行器所使用的锂电池组主要是由多个单体锂电池并联在一起构成的，这种锂电池结合方式在增大电池容量以及简化充放电电路结构的同时，也不可避免引入了危险，只要多个并联的单体锂电池中的其中一个发生故障，则整个锂电池组就会无法使用，从而影响无人水下航行器的工作，除此之外锂电池组中的单体锂电池要求规格参数一致，无形中增加了电池成本。另外目前无人水下航行器使用的锂电池组的输出电压一定，只能应用在特定的应用场景，面对不同的应用场景以及携带的不同负载，目前的锂电池组及其管理系统无法胜任。

因此能够解决上述缺点的智能电源管理系统对无人水下航行器的应用和发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为搭载有各种探测设备的无人水下航行器提供高续航力、高稳定性、高适配性的多模（无线-太阳能）智能电源管理系统及方法。

本发明的无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统，其能够对锂电池组进行充、放电智能管理。在锂电池组充电阶段，考虑到有线充电和太阳能充电的缺陷，采用无线充电和太阳能充电结合的多模充电方式为无人水下航行器进行充电，在太阳能充足的情况下进行太阳能充电，在夜间和阴雨天等环境下进行无线充电，这种多模充电方式在保证无人水下航行器的全天候工作能力的同时，有效避免了对航行器船体密闭性的破坏以及回收船体的操作程序。本发明具体通过如下技术方案实现。

一种无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统，包括太阳能可控充电电路、无线可控充电电路、充电口电路、锂电池组充放电切换电路、自适应匹配输出电路、MCU控制电路；其中太阳能可控充电电路、无线可控充电电路和充电口电路共同实现对锂电池组进行充电；充放电切换电路使得锂电池组中的单体锂电池进行循环充、放电；自适应匹配输出电路实现不同电压的输出；MCU控制电路负责给出控制信号，控制整个电源管理系统的工作。

进一步的，太阳能可控充电电路包括太阳能电池板、高边电流检测电路、低边电流检测电路、电压检测电路、模数转换电路、升/降压开关电源电路和数字电位器，能够实现最大功率点跟踪。

进一步的，无线可控充电电路包括数模转换电路、功率放大电路、发射线圈、接收线圈、整流滤波电路和升/降压开关电源电路，能够将无线交流信号转换为任意直流电压输出。

进一步的，太阳能可控充电电路和无线可控充电电路共同构成多模充电方式完成对锂电池组的充电，在实现全天候工作的同时也能够使得无人水下航行器无需回收，在水中完成智能充电。

进一步的，锂电池组充放电切换电路包括n路切换电路，n为正整数；单路切换电路由两个三极管、一个场效应管构成，n路切换电路组合在一起配合n节单体锂电池组成的锂电池组构成异构化锂电池组，实现锂电池组中单体锂电池在MCU控制电路的控制下通过多模充电方式进行循环充、放电，同时该异构锂电池组对单体锂电池的规格、电压没有要求，能对锂电池组中不同电压的锂电池进行充、放电。

进一步的，自适应匹配输出电路包括顺次连接的模拟电位器、电路由升/降压开关电源电路和数码管；能根据应用场景的不同，通过改变模拟电位器阻值的大小来改变整个智能电源系统的输出电压。

本发明的无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统，采用异构锂电池组代替原并联锂电池组。由于目前无人水下航行器为了提高续航力所使用的并联锂电池组同样存在缺陷，因此该智能电源管理系统采用异构锂电池组代替原并联锂电池组，所谓异构锂电池组，就是在相关电路的控制下使得锂电池组中的单体锂电池能够循环充、放电，这种异构化锂电池组能有效避免并联锂电池组的缺陷，当其中某个单体锂电池发生故障时，不影响整个锂电池组的工作，有效提高了无人水下航行器工作的稳定性。除此之外，异构锂电池组在相关电路的控制下能够实现对不同规格参数、不同电压的单体锂电池进行充放电管理，相比对单体锂电池要求严格的并联锂电池组，这种异构锂电池组更具灵活性，能够灵活使用单体锂电池构成锂电池组，降低电池成本。

本发明无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统，其特征在于该智能电源管理系统搭载自适应匹配输出电路，在锂电池组放电阶段，自适应匹配输出电路能够根据无人水下航行器工作环境以及负载的不同而改变锂电池组输出电压，提高适配性。

进一步的，所述太阳能可控充电电路由太阳能电池板、高边电流检测电路、低边电流检测电路、电压检测电路、模数转换电路、升/降压开关电源电路、数字电位器构成。模数转换电路实时检测太阳能电池板的输入电压、电流，以及通过升/降压开关电源电路后输出的电压、电流，数字电位器接入升/降压开关电源电路的反馈电阻的位置，MCU控制电路给出控制信号，控制改变数字电位器的电阻值从而改变反馈电阻值，使得输出电压改变。采用扰动观察法，MCU控制电路通过数字电位器改变输出电压，计算此时的太阳能输入功率，直到太阳能电池板的输入功率达到最大值，实现太阳能电池板的最大功率点跟踪。

进一步的，所述无线可控充电电路由数模转换电路、功率放大电路、发射线圈、接收线圈、整流滤波电路、升/降压开关电源电路构成。MCU控制电路给出控制信号控制数模转换电路产生一个一定频率的正弦波，正弦波经功率放大电路放大后通过发射线圈发射出去，接收线圈接收到发射线圈的能量后通过整流滤波电路以及稳压电路后输出为直流稳定电压。

进一步的，所述锂电池组充放电切换电路由三极管、场效应管构成。MCU控制电路通过给出一组高低电平信号控制两个三极管的输出电压的高低，从而控制集成了两个场效应管栅极电压的高低，继而控制场效应管的通断。

进一步的，所述充电口电路由运算放大器、达林顿管等构成，实现恒流-恒压的充电模式，并且在锂电池切换电路的配合下，能对锂电池组中不同规格、不同电压的锂电池进行充电，实现锂电池的即插即用。

进一步的，所述自适应匹配输出电路由升/降压开关电源电路、模拟电位器、数码管组成。通过调整模拟电位器的电阻改变输出电压的大小并通过数码管显示出来，故可以根据应用场景的不同，手动调节模拟电位器的电阻值来调整输出电压。

进一步的，所述MCU控制电路由单片机及其外围电路构成，通过给出控制信号实现整个电源管理系统有序工作，同时MCU控制电路留有扩展通道，能够通过扩展通道进一步增加锂电池组中锂电池单体的数量来进一步提高续航力。

基于上述的无人水下探测船的智能电源管理系统的工作步骤如下：

（1）锂电池组包含n节锂电池，n节锂电池的型号、规格可以不同，当锂电池组中的某一节电池的电压下降到可充电电压时，就通过MCU控制电路控制锂电池组充放电切换电路的切换动作，切断该锂电池的输出通道，转而开启下一节电池的输出通道，以提高续航力。

（2）当锂电池组中的n节锂电池中的n-1节锂电池放电完成后，就通过MCU控制电路控制太阳能可控充电电路的开启，通过太阳能可控充电电路找到该时刻太阳能电池板的最大输出功率，进行太阳能充电。

（3）当太阳能电池板最大输出功率太小而不满足充电要求时，则判定该时刻的环境不适合太阳能充电，通过MCU控制电路发出命令给后端控制系统，派出一条充电母船对其进行无线充电。

（4）当其中一节锂电池通过充电口电路充满时，MCU控制电路发出控制命令控制锂电池组充放电切换电路切换到下一节锂电池进行充电。

（5）当锂电池组充电完成时，通过MCU控制电路发出控制信号控制充放电切换电路继续使锂电池组循环放电，从而使得锂电池组能够进行循环充、放电。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和技术效果：

（1）该智能电源管理系统采用多种模式的充电方式使无人水下航行船能够全天候工作。

（2）该智能电源管理系统的多模充电方式使得无人水下航行器无需人工回收即可实现在水中智能充电，降低了人工成本。

（3）通过异构锂电池组，实现了一个充电口电路对锂电池组中n节不同规格、不同电压的锂电池进行充电，降低了对锂电池的要求，即不同规格、不同电压的锂电池可以直接接入电源系统中使用，降低了使用成本，同时避免了并联锂电池组的缺陷，提高了系统的安全性和稳定性。

（4）根据应用场景的不同，该电源系统能够通过手动调节模拟电位器改变输出电压以适应不同的应用需求，使得无人水下航行器在不同应用场景下的适配性大大提高。

（5）该电源系统留有可扩展通道，能够通过系统电路的级联实现更高的续航力。

附图说明

图1是智能电源系统的总体结构框图。

图2是太阳能可控充电电路图。

图3是无线可控充电电路图。

图4是锂电池组充放电切换电路（1路）。

图5是充电口电路。

图6是自适应匹配输出电路。

图7是MCU控制电路。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明的过程或符号参数（如图4、图7等均是本领域常用的电路图及符号表示方法，在此不再赘述），均是本领域技术可参照现有技术理解或实现的。

如图1所示，是智能电源管理系统的总体结构框图，包括太阳能可控充电电路、无线可控充电电路、充电口电路、锂电池组充放电切换电路、自适应匹配输出电路、MCU控制电路。

如图2所示，是太阳能可控充电电路图。模数转换电路实时检测太阳能电池板的输入电压、电流，以及通过升/降压开关电源电路后输出的电压、电流，数字电位器接入升/降压开关电源电路的反馈电阻的位置，MCU控制电路发出控制信号改变数字电位器的电阻值从而改变反馈电阻值，使得输出电压改变。采用扰动观察法，MCU控制电路通过数字电位器改变输出电压，计算此时的太阳能输入功率，直到太阳能电池板的输入功率达到最大值，实现太阳能电池板的最大功率点跟踪。升/降压开关电源电路选择LM5175芯片，LM5175芯片的输入电压是3.5V-42V，输出电压范围是0.8V-55V，满足了大部分的应用需求。数字电位器采用MAX5419芯片，其最大电阻达到200K。

如图3所示，是无线可控充电电路图。MCU控制电路控制数模转换电路产生一个一定频率的正弦波，正弦波经功率放大电路放大后通过发射线圈发射出去，接收线圈接收到发射线圈的能量后通过整理、滤波电路以及稳压电路后输出为直流稳定电压，再通过充电电路对电池进行充电。功率放大电路选择LM1875芯片，LM1875可以单电源工作，工作电压范围大：16V-60V；在低频（1KHZ、20W）的条件下，THD很小，大约为0.015% ；输出功率可以达到30W；最大输出电流可以达到4A；并且其内部有保护二极管，可以防止其在工作过程中损坏；为了在电压一定的条件下进一步提高线圈输出功率，选择差分输出的方式，即将输入信号通过一个全差分运算放大器生成两个相位差180°的差分信号，然后将功率放大后的差分信号接到负载的两端。这样在不增加电压的情况下输出功率增加一倍，同时也可以减小环境噪声对输出的影响。整流电路选择桥式整流的方式。

如图4所示，是锂电池组充放电切换电路（1路）。MCU控制电路通过给出一组高低电平信号控制两个三极管的输出电压的高低，从而控制集成了两个场效应管的FDS8958栅极电压的高低，继而控制场效应管的通断。只有MCU控制电路同时给出一对高低电平信号，才能控制充放电通道的通断。这种切换方式相比较于继电器切换方式，不仅降低了功耗，同时也大大缩小了电路板的面积，降低了成本。

如图5所示，是充电口电路。可以由运算放大器、达林顿管等构成，通过MCU控制电路给出控制信号改变运算放大器的输入电压，最终实现充电电流的设置，使其能对不同规格、不同电压的锂电池进行充电。

如图6所示，是自适应匹配输出电路。由升/降压开关电源电路、模拟电位器、数码管、组成。通过调整模拟电位器的电阻改变输出电压的大小并通过数码管显示出来。其所用开关电源芯片同样选择LM5175。

如图7所示，是MCU控制电路。仅仅作为举例，由单片机STC52及其外围电路构成。其给出控制信号线（符号P）控制锂电池组充放电切换电路进行切换动作，以及控制太阳能可控充电电路和无线可控充电电路的工作，实现锂电池组的循环充放电。同时留有可扩展信号通道（符号S）；以及给出控制信号（符号L）控制发光二极管（符号D）来显示锂电池组中单体锂电池的充放电状态。

Claims (7)

1.一种无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统，其特征在于包括太阳能可控充电电路、无线可控充电电路、充电口电路、锂电池组充放电切换电路、自适应匹配输出电路、MCU控制电路；其中太阳能可控充电电路、无线可控充电电路和充电口电路共同实现对锂电池组进行充电；充放电切换电路使得锂电池组中的单体锂电池进行循环充、放电；自适应匹配输出电路实现不同电压的输出；MCU控制电路负责给出控制信号，控制整个电源管理系统的工作。

2.根据权利要求1所述的一种无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统，其特征在于太阳能可控充电电路包括太阳能电池板、高边电流检测电路、低边电流检测电路、电压检测电路、模数转换电路、升/降压开关电源电路和数字电位器，能够实现最大功率点跟踪。

3.根据权利要求1所述的一种无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统，其特征在于无线可控充电电路包括数模转换电路、功率放大电路、发射线圈、接收线圈、整流滤波电路和升/降压开关电源电路，能够将无线交流信号转换为任意直流电压输出。

4.根据权利要求1所述的无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统，其特征在于所述太阳能可控充电电路和无线可控充电电路共同构成多模充电方式完成对锂电池组的充电，在实现全天候工作的同时也能够使得无人水下航行器无需回收，在水中完成智能充电。

5.根据权利要求1所述的一种无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统，其特征在于锂电池组充放电切换电路包括n路切换电路，n为正整数；单路切换电路由两个三极管、一个场效应管构成，n路切换电路组合在一起配合n节单体锂电池组成的锂电池组构成异构化锂电池组，实现锂电池组中单体锂电池在MCU控制电路的控制下通过多模充电方式进行循环充、放电，同时该异构锂电池组对单体锂电池的规格、电压没有要求，能对锂电池组中不同电压的锂电池进行充、放电。

6.根据权利要求1所述的无人水下航行器的异构多模智能电源管理系统，其特征在于所述自适应匹配输出电路包括顺次连接的模拟电位器、电路由升/降压开关电源电路和数码管；能根据应用场景的不同，通过改变模拟电位器阻值的大小来改变整个智能电源系统的输出电压。

7.利用权利要求1~6任一项所述基于上述的无人水下探测船的智能电源管理系统的管理方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）锂电池组包含n节锂电池，n节锂电池的型号、规格相同或不同，当锂电池组中的一节电池的电压下降到可充电电压时，就通过MCU控制电路控制锂电池组充放电切换电路的切换动作，切断该锂电池的输出通道，转而开启下一节电池的输出通道，以提高续航力；

（2）当锂电池组中的n节锂电池中的n-1节锂电池放电完成后，就通过MCU控制电路控制太阳能可控充电电路的开启，通过太阳能可控充电电路找到该时刻太阳能电池板的最大输出功率，进行太阳能充电；

（3）当太阳能电池板最大输出功率太小而不满足充电要求时，则判定该时刻的环境不适合太阳能充电，通过MCU控制电路发出命令给后端控制系统，派出一条充电母船对其进行无线充电；

（4）当其中一节锂电池通过充电口电路充满时，MCU控制电路发出控制命令控制锂电池组充放电切换电路切换到下一节锂电池进行充电；

（5）当锂电池组充电完成时，通过MCU控制电路发出控制信号控制充放电切换电路继续使锂电池组循环放电，从而使得锂电池组能够进行循环充、放电。