CN109742459B

CN109742459B - 一种无人机快速充电的锂电池管理系统

Info

Publication number: CN109742459B
Application number: CN201811563424.3A
Authority: CN
Inventors: 周蒙; 陆运章; 郭进; 张佳亮
Original assignee: CETC 48 Research Institute
Current assignee: CETC 48 Research Institute
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: CN109742459A

Abstract

本发明公开了一种无人机快速充电的锂电池管理系统，包括主控制器、模拟前端、均衡控制单元和多路均衡模块，各所述均衡模块与各单个锂电池一一对应连接，所述均衡模拟包括驱动控制单元和双向DC/DC隔离单元；所述模拟前端与所述主控制器相连，用于采集各锂电池的状态信息并发送至主控制器以进行是否均衡的判断；所述均衡控制单元与所述主控制器相连，用于接收主控制器的均衡指令，并控制对应锂电池的驱动控制单元，驱动控制单元驱动双向DC/DC隔离单元，调整均衡电流和电压，实现电压高的单个锂电池向锂电池包升压放电或者锂电池包向单个锂电池放电。本发明的管理系统具有可同时多锂电池进行均衡、均衡电流大、均衡速度快、结构简单、控制简便等优点。

Description

一种无人机快速充电的锂电池管理系统

技术领域

本发明主要涉及无人机技术领域，特指一种无人机快速充电的锂电池管理系统。

背景技术

针对无人机快速充电应用场合，锂电池充电电流很大，当电芯之间内阻有微小差异都容易造成芯体之间的不均衡，所以需要采用均衡充电措施。目前市面上锂电池管理的成熟产品以被动均衡居多，但被动均衡是能量耗散型的均衡方式，把单体电压高的电芯能量通过放电方式耗散掉，由于无人机快速充电本身能量获取就有限，为了最大化利用获取的能量，应该采用主动均衡方式，目前主动均衡方式多采用变换器加开关矩阵方式，如在充电过程中，当某一节电芯电压高于主动均衡上限电压时，将该节电芯的充电电流分流一部分出来通过 DC/DC升压电路变换后对电压最低的那一节电芯进行充电，实现从最高电压电芯向最低电压电芯的能量输送，让整个电池包能充进更多的电量；在放电过程中当某一节电芯电压低于主动均衡下限电压时，通过DC/DC降压电路将整个电池组的能量变换后并联到最低电压的电芯上，这样可以分担该电芯的一部分放电电流以减缓该电芯的电压下降速度，让整个电池包能放出更多的电量；这种均衡方式一次只能均衡一个单体电池，充放电过程中能量只能单向流动，不能实现放电和充电均能均衡，升压和降压电路物理上是分开的，给控制带来一定复杂度；而且不能同时均衡几个单体电池，均衡所有电池耗时比较长，不利于无人机上的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可多节锂电池同时进行均衡、均衡电流大、均衡速度快的无人机快速充电的锂电池管理系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种无人机快速充电的锂电池管理系统，包括主控制器、模拟前端、均衡控制单元和多路均衡模块，各所述均衡模块与各单个锂电池一一对应连接，所述均衡模拟包括驱动控制单元和双向DC/DC隔离单元；所述模拟前端与所述主控制器相连，用于采集各锂电池的状态信息并发送至主控制器以进行是否均衡的判断；所述均衡控制单元与所述主控制器相连，用于接收主控制器的均衡指令，并控制对应锂电池的驱动控制单元，驱动控制单元驱动双向 DC/DC隔离单元，调整均衡电流和电压，实现电压高的单个锂电池向锂电池包升压放电或者锂电池包向单个锂电池放电。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述双向DC/DC隔离单元包括驱动模块Z1～Z3、隔离变压器T1、MOS管Q1～Q5、电阻R1～R2、电容C1和电感L1；Z1～Z3均与驱动控制单元相连；Q4、Q5和L1串联后一端与单体锂电池的正极相连，另一端与T1的原边相连；R1与Q1串联后，一端与单体锂电池的负极，另一端与T1的原边相连；C1与Q2并联，且与T1的原边并联；Q3与R2串联后，一端与T1的次边相连，另一端与锂电池包BT1的负极相连，锂电池包BT1的正极与T1的次边相连；Z1分别与Q4和Q5相连，Z2与Q2相连，Z3与Q3相连。

在单体锂电池电压过高时，Z1驱动Q4和Q5导通，L1、C1、Q2、Q1、R1和T1原边构成同步整流BOOST升压电路；Z2通过输出互补的PWM波形，调整占空比实现电压控制；调节R1的大小控制单体放电电流，Q3常开，负载为整个锂电池包BT1，实现单体锂电池向锂电池包BT1的升压放电。

在单体锂电池电压过低时，Z1驱动Q4和Q5导通，L1、C1、Q2、Q1、R1、Q3、R2和 T1构成同步整流正激降压电路，Z3输出PWM波控制Q3的通断，Z2通过输出互补的PWM 波控制Q1和Q2的通断，通过调节Q3的占空比实现输出电压控制，调节R2的大小控制锂电池包BT1放电电流，负载为单体锂电池，实现锂电池包BT1向单体锂电池放电。

驱动模块Z1～Z3均为光耦隔离驱动模块。

所述主控制器连接有充放电控制单元，用于对锂电池进行充放电控制。

所述锂电池的状态信息包括锂电池的单体电压、锂电池温度和锂电池包的充放电电流。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的无人机快速充电的锂电池管理系统，采用主动均衡方式，提高能源的利用率；每个单体锂电池均对应有均衡模块，能够实现多节锂电池同时进行均衡，均衡电流大，均衡速度快，适合快速充电无人机短时间内均衡的应用场合；而且均衡模块采用双向DC/DC隔离单元，充电或放电均可实现均衡。由于双向DC/DC隔离单元同时实现升压和降压，电路结构简单且控制复杂度降低。

附图说明

图1为本发明的方框结构图。

图2为本发明中均衡模块的电路原理图。

图中标号表示：1、主控制器；2、模拟前端；3、均衡控制单元；4、均衡模块；401、驱动控制单元；402、双向DC/DC隔离单元；5、充放电控制单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1和图2所示，本实施例的无人机快速充电的锂电池管理系统，包括主控制器1、模拟前端2、均衡控制单元3和多路均衡模块4，各均衡模块4与各单个锂电池一一对应连接，均衡模拟包括驱动控制单元401和双向DC/DC隔离单元402；模拟前端2与主控制器1相连，用于采集各锂电池的状态信息并发送至主控制器1以进行是否均衡的判断；均衡控制单元3 与主控制器1相连，用于接收主控制器1的均衡指令，并控制对应锂电池的驱动控制单元401，驱动控制单元401驱动双向DC/DC隔离单元402，调整均衡电流和电压，实现电压高的单个锂电池向锂电池包升压放电或者锂电池包向单个锂电池放电；另外，主控制器1连接有充放电控制单元5，用于对锂电池进行过放、过充、过流、过温等充放电控制，其中锂电池的状态信息包括锂电池的单体电压、锂电池温度和锂电池包的充放电电流。本发明的无人机快速充电的锂电池管理系统，采用主动均衡方式，提高能源的利用率；每个单体锂电池均对应有均衡模块4，能够实现多节锂电池同时进行均衡，均衡电流大，均衡速度快，适合快速充电无人机短时间内均衡的应用场合；而且均衡模块4采用双向DC/DC隔离单元402，充电或放电均可实现均衡。

如图2所示，本实施例中，双向DC/DC隔离单元402包括驱动模块Z1～Z3(均为光耦隔离驱动模块)、隔离变压器T1、MOS管Q1～Q5、电阻R1～R2、电容C1和电感L1；Z1～ Z3均与驱动控制单元401相连；Q4、Q5和L1串联后一端与单体锂电池的正极相连，另一端与T1的原边相连；R1与Q1串联后，一端与单体锂电池的负极，另一端与T1的原边相连；C1与Q2并联，且与T1的原边并联；Q3与R2串联后，一端与T1的次边相连，另一端与锂电池包BT1的负极相连，锂电池包BT1的正极与T1的次边相连；Z1分别与Q4和Q5 相连，Z2与Q1和Q2相连，Z3与Q3相连。在单体锂电池电压过高时，Z1驱动Q4和Q5 导通，L1、C1、Q2、Q1、R1和T1原边构成同步整流BOOST升压电路；Z2通过输出互补的PWM波形，调整占空比实现电压控制；调节R1的大小控制单体放电电流，Q3常开，负载为整个锂电池包BT1，实现单体锂电池向锂电池包BT1的升压放电。在单体锂电池电压过低时，Z1驱动Q4和Q5导通，L1、C1、Q2、Q1、R1、Q3、R2和T1构成同步整流正激降压电路，Z3输出PWM波控制Q3的通断，Z2通过输出互补的PWM波控制Q1和Q2的通断，通过调节Q3的占空比实现输出电压控制，调节R2的大小控制锂电池包BT1放电电流，负载为单体锂电池，实现锂电池包BT1向单体锂电池放电。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种无人机快速充电的锂电池管理系统，其特征在于，包括主控制器（1）、模拟前端（2）、均衡控制单元（3）和多路均衡模块（4），各所述均衡模块（4）与各单个锂电池一一对应连接，所述均衡模块（4）包括驱动控制单元（401）和双向DC/DC隔离单元（402）；所述模拟前端（2）与所述主控制器（1）相连，用于采集各锂电池的状态信息并发送至主控制器（1）以进行是否均衡的判断；所述均衡控制单元（3）与所述主控制器（1）相连，用于接收主控制器（1）的均衡指令，并控制对应锂电池的驱动控制单元（401），驱动控制单元（401）驱动双向DC/DC隔离单元（402），调整均衡电流和电压，实现电压高的单个锂电池向锂电池包升压放电或者锂电池包向单个锂电池放电；

所述双向DC/DC隔离单元（402）包括驱动模块Z1～Z3、隔离变压器T1、MOS管Q1～Q5、电阻R1～R2、电容C1和电感L1；Z1～Z3均与驱动控制单元（401）相连；Q4、Q5和L1串联后一端与单体锂电池的正极相连，另一端与T1的原边相连； R1与Q1串联后，一端与单体锂电池的负极，另一端与T1的原边相连；C1与Q2并联，且与T1的原边并联；Q3与R2串联后，一端与T1的次边相连，另一端与锂电池包BT1的负极相连，锂电池包BT1的正极与T1的次边相连；Z1分别与Q4和Q5相连，Z2与Q2相连，Z3与Q3相连；

在单体锂电池电压过高时，Z1驱动Q4和Q5导通， L1、C1、Q2、Q1、R1和T1原边构成同步整流BOOST升压电路；Z2通过输出互补的PWM波形，调整占空比实现电压控制；调节R1的大小控制单体放电电流，Q3常开，负载为整个锂电池包BT1，实现单体锂电池向锂电池包BT1的升压放电；

在单体锂电池电压过低时，Z1驱动Q4和Q5导通，L1、C1、Q2、Q1、R1、Q3、R2和T1构成同步整流正激降压电路，Z3输出PWM波控制Q3的通断，Z2通过输出互补的PWM波控制Q1和Q2的通断，通过调节Q3的占空比实现输出电压控制，调节R2的大小控制锂电池包BT1放电电流，负载为单体锂电池，实现锂电池包BT1向单体锂电池放电。

2.根据权利要求1所述的无人机快速充电的锂电池管理系统，其特征在于，驱动模块Z1～Z3均为光耦隔离驱动模块。

3.根据权利要求1所述的无人机快速充电的锂电池管理系统，其特征在于，所述主控制器（1）连接有充放电控制单元（5），用于对锂电池进行充放电控制。

4.根据权利要求1所述的无人机快速充电的锂电池管理系统，其特征在于，所述锂电池的状态信息包括锂电池的单体电压、锂电池温度和锂电池包的充放电电流。