CN109904908B - 一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路，包括主充电回路和控制充电电路，主充电回路包括依次连接的DCDC接口和主电流检测电路，主电流检测电路分流后连接到八个非隔离同步降压模块，八个非隔离同步降压模块分别连接到六个充电端子、USB充电接口和遥控器接口，控制充电电路包括主控电路和子控充电电路，子控充电电路采用三组，均连接到主控电路，三组子控充电电路和主控电路连接在六个充电端子、USB充电接口和遥控器接口之前的八个非隔离同步降压模块，每组子控充电电路和主控电路各自控制两个非隔离同步降压模块。本发明能够实现无人机电池的充电，模块化结构，确保整个电路的处理速度和处理实时性。

Description

一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路

技术领域

本发明涉及一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路，属于移动防爆充电箱设备技术领域。

背景技术

为满足长时间无人机工作需要，往往需携带大量的电池进行外场作业，既增加了投入，也不利于携带，大量的电池购置不仅增加了使用成本，还带来较大的安全隐患，就算采用电池管家，依然无法解决大量充电时占用空间、电池暴露等问题，一但某个电池出现意外，意味着巨大的安全风险，现有并未有技术对无人机并充的控制电路。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路，以解决上述现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路，包括主充电回路和控制充电电路，主充电回路包括依次连接的市电转24V大功率DCDC接口和主电流检测电路，主电流检测电路分流后连接到八个非隔离同步降压模块，八个非隔离同步降压模块分别连接到六个充电端子、USB充电接口和遥控器接口，控制充电电路包括主控电路和子控充电电路，子控充电电路采用三组，均连接到主控电路，三组子控充电电路和主控电路连接在六个充电端子、USB充电接口和遥控器接口之前的八个非隔离同步降压模块，每组子控充电电路和主控电路各自控制两个非隔离同步降压模块。

优选的，上述主控电路还连接有温控电路。

优选的，上述温控电路包括温控芯片、温度传感器和继电器，温控芯片与温度传感器和两个继电器连接，两个继电器分别与风扇和加热器串接到供电电源。

优选的，上述温控电路还连接电池就位检测电路，电池就位检测电路包括六个红外对射模块。

优选的，上述主控电路还连接有显示电路。

优选的，上述市电转24V大功率DCDC接口通过止逆二极管后24V大容量锂离子电池进行充电。

优选的，上述24V直流电源经止逆二级管后，通过主开关及主电流监测芯片后，分流进入八个非隔离同步降压模块。

优选的，上述子控电路包括子控制芯片，子控制芯片采用STC15W408AS子芯片，一端口与电流检测模块的相连，对非隔离同步降压模块输出电流进行检测；子控制芯片的一端口经限流电阻限流后与固态继电器控制极相连接，对非隔离同步降压模块输出进行控制；非隔离同步降压模块经两分压电阻及止逆二极管之后，与固态继电器输入端相连；子控制芯片的一端口连接于两分压电阻之间，检测非隔离同步降压模块输出电压，子控制芯片通过TTL总线与主控芯片相连接。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

（1）本发明的电路结构能够实现无人机电池的充电，电路结构简单，模块化结构，外围元件少，便于实现电流和电压监测，采用主控电路和子控电路，分布式控制，便于分担各自的处理数据，将各自处理的数据传入主控电路，减少主控电路的处理量，提高整个电路的处理速度和处理实时性；

（2）设置温控电路和电池就位检测电路，实现充电箱的温度控制和保持最佳充电温度范围，当检测到电池就位后，自动启动充电，实现安全充电；

（3）设置显示电路，便于监测充电电流和充电电压以及充电情况；

（4）设置24V大容量锂离子电池进行充电，便于对自备电源进行充电。

附图说明

图1为充电箱的立体结构示意图；

图2为充电箱的前视结构示意图；

图3为图2中A-A剖视结构示意图；

图4为图2中B-B剖视结构示意图；

图5为图2中C-C剖视结构示意图；

图6为图2中D-D剖视结构示意图；

图7为图6中E-E剖视结构示意图；

图8为充电箱的左视结构示意图；

图9为充电箱的俯视结构示意图（去掉箱盖）；

图10为充电箱的立体结构示意图（去掉箱盖和箱体）；

图11为充电箱控制原理电路结构示意图；

图12为主控制器连接一个子控制器连接电路示意图；

图13为主控制器连接电路示意图；

图14为充电总端子连接到子控制器电路示意图；

图15为连接到并充的多个充电端子接头示意图；

图16为主控制器示意图；

图17为子控制器示意图；

图18为并充的多个端子电路连接示意图；

图19为温控器电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图11-19所示，一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路，包括主充电回路和控制充电电路，主充电回路包括依次连接的市电转24V大功率DCDC接口和主电流检测电路，主电流检测电路分流后连接到八个非隔离同步降压模块，八个非隔离同步降压模块分别连接到六个充电端子、USB充电接口和遥控器接口，控制充电电路包括主控电路和子控充电电路，子控充电电路采用三组，均连接到主控电路，三组子控充电电路和主控电路连接在六个充电端子、USB充电接口和遥控器接口之前的八个非隔离同步降压模块，每组子控充电电路和主控电路各自控制两个非隔离同步降压模块。

优选的，上述主控电路还连接有温控电路。

优选的，上述温控电路包括温控芯片、温度传感器和继电器，温控芯片与温度传感器和两个继电器连接，两个继电器分别与风扇和加热器串接到供电电源。

优选的，上述温控电路还连接电池就位检测电路，电池就位检测电路包括六个红外对射模块。

优选的，上述主控电路还连接有显示电路。

优选的，上述市电转24V大功率DCDC接口通过止逆二极管后24V大容量锂离子电池进行充电。

优选的，上述24V直流电源经止逆二级管后，通过主开关及主电流监测芯片后，分流进入八个非隔离同步降压模块。

优选的，上述子控电路包括子控制芯片，子控制芯片采用STC15W408AS子芯片，一端口与电流检测模块的相连，对非隔离同步降压模块输出电流进行检测；子控制芯片的一端口经限流电阻限流后与固态继电器控制极相连接，对非隔离同步降压模块输出进行控制；非隔离同步降压模块经两分压电阻及止逆二极管之后，与固态继电器输入端相连；子控制芯片的一端口连接于两分压电阻之间，检测非隔离同步降压模块输出电压，子控制芯片通过TTL总线与主控芯片相连接。

如图11-19所示的本发明的电路原理示意图，无人机电池智能移动防爆充电箱控制电路以STC15W408AS单片机为核心，连接、控制两个非同步降压整流恒压模块、两个ACS712电流检测芯片及两个SDD-5HB微型固态继电器形成一个充电控制单元，多个这样的单元通过TTL或232数据总线与主控芯片相连接，主控芯片又与温控、显示等单元相连接，最终形成完整的充电、检测、控制、恒温、显示等一体的智能控制闭环。其中单个充电、检测、控制单元的典型连接如图11所示。

MCU4为STC15W408AS子芯片，其I/O口P1.0至1.5均具有10位高精度数字ADC功能，因此利用该组六个I/O即可获得两个非同步降压整流模块的输出电压、电流值，并控制两个继电器进行充电控制；其典型连接如图所示，STC15W408AS芯片MCU4的P1.0端口设置为ADC模式，并与ACS712芯片A4第7引脚相连，对DCDC30-10A模块U4第4引脚输出电流进行检测；MCU4的P1.1端口设置为强推挽输出，经R14限流后与S4固态继电器控制极相连接，对DCDC30-10A模块U4第4引脚输出进行控制；DCDC30-10A模块U4第4引脚经分压电阻R12、R13及D7止逆二极管MBRF2035CT之后，与固态继电器S4输入端相连；MCU4的P1.2端口设置为ADC模式，连接于R12及R13之间，按9：1分压比，检测DCDC30-10A模块U4第4引脚输出电压；MCU4的P1.3端口设置为ADC模式，并与ACS712芯片A5第7引脚相连，对DCDC30-10A模块U5第4引脚输出电流进行检测；MCU4的P1.4端口设置为强推挽输出，经R17限流后与S5固态继电器控制极相连接，对DCDC30-10A模块U5第4引脚输出进行控制；DCDC30-10A模块U5第4引脚经分压电阻R15、R16及D8止逆二极管MBRF2035CT之后，与固态继电器S5输入端相连；MCU4的P1.5端口设置为ADC模式，连接于R15及R16之间，按9：1分压比，检测DCDC30-10A模块U5第4引脚输出电压；MCU4的P3.6、P3.7作为TTL总线与主控芯片STC15W4K56S4的P0.0、P0.1相连接，受主控芯片指令控制，并向主控芯片上传相应模块电压电流数据。

本发明中，多个这样的充电控制模组经TTL或232数据总线与主控芯片相连接，同时通过主控芯片与温控、显示等模组共同组成完整的充电、检测、控制、显示系统；按总线的负载能力，本发明可组合多个充电控制单元，典型的精灵4P无人机动力电池充电系统为三个充电控制单元加主芯片及温控、显示等外围模块所组成。

该控制电路具有如下优点：

1、电路结构简单，模块化结构，外围元件少，充分利用STC15W408AS端口功能实现充电参数监测及控制；

2、本发明电路待机功耗低，通过24V直流电源降压限流对20V以下任意无人机动力电池进行大电流充电，采用单片机嵌入式结构，具有良好的扩展能力，且充电过程数字化，充电管理智能化。

如图11-19所示，典型DJI精灵4无人机动力电池六组并充主电路原理，其工作原理如下：

1、J4为市电转24V大功率DCDC接口，通过止逆二极管D3对24V大容量锂离子电池进行充电，在220V市电条件及外场无市电条件下均可对本发明电路提供24V（最高电压为29.4V）直流电源，实现本发明所涉及的新型智能移动防爆充电箱在市电及无依托条件下的无人机动力电池充电；

2、24V直流电源经D2止逆二级管后，通过主开关K1及主电流监测芯片ACS756-100B后，分流进入U1至U8非隔离同步降压模块，电压降至17.4V（U8为5V，提供主控电路及芯片工作），实现七个17.4V、最大10A的独立输出电源，以供六个动力电池及一台遥控器同时进行充电作业；

3、七个独立输出电源分为四个子控制模块，由STC15W408AS芯片利用ACS712、分压电阻及微型固态继电器等外部器件对电压、电流进行监测并对输出控制后，通过TTL总线与STC15W4K56S4主控芯片相连接，在软件控制下，对各组电池充电进程进行实时监测及智能管控，详细连接见图1及说明；其中主芯片对二个输出电源的监测、控制部分，与其他子芯片相同，因其作为主控芯片，需做较多分析、运算、显示等工作，同时还需进行总线控制，故选用STC15W同系较高资原的4K56S4芯片作为主控；

4、主控电路通过J1端子与充电接口板连接，对无人机动力电池进行充电，充电接口板跟据不同无人机动力电池接口配置充电接口；通过J2端子与2.4寸串口显示器连接，提供充电信息显示；通过J3端子与温控及电池位置监测模块连接，实时监测控制充电箱内温度，并接收电池就位信息；

附图18-19是本发明附属的温控及六组电池位置红门监测电路原理图，其工作原理如下：

1、J6为5V电源及TTL串口数据接口，与主电路J3相连，为温控及电池位置监测提供电源及数据输入输出能力；

2、本模块采用一个STC15W408AS单片机为核心，通过对接入其P1.5及P1.2端口的LM35DZ温度传感器的AD检测，实现充电箱内温度测量；并通过接入P1.4及P1.3端口的继电器S1和S2，驱动散热风扇及加热电阻，实现不同温度条件下的充电箱恒温控制；

3、U7至U12为TLH301-32红外对射模块，通过电池就位时对红外光的遮挡实现对充电端子上电池就位情况的检测，六个红外模块分别通过1K限流电阻后与STC15W408AS芯片P3.2、P3.3、P3.6、P3.7、P1.0、P1.1等六个端口相连接，红外模块的通断将引起该端口上电压的高低变化，从而实现电池位置信息的监测；

4、箱内温度及电池位置信息通过TTL串口发送至主控芯片进行处理及显示；

本发明电路各子模块均有自保护程序，主控芯片一定时间内无总线数据问询即自动切断所有外部输出，避免因主控芯片故障或损坏而导至充电过程失控情况。

实施例2：如图1-图10所示，一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱，包括金属防爆箱箱体1、电池固定托架2和充电端子接口板3，金属防爆箱箱体1上端设置有箱盖4，内部从上到下设置有电池固定托架2和充电端子接口板3，电池固定托架2上设置有嵌入无人机电池15（选用大疆精灵4无人机电池）的竖直插孔3，对应竖直插孔3中心的充电端子接口板3上设置有充电端子5，充电端子5电连接到总充电端子6，总充电端子6安装在金属防爆箱箱体1侧壁外部，箱盖4上安装有提手18，金属防爆箱箱体1和箱盖4采用全封闭高强碳素钢。

优选的，上述电池固定托架2包括上下间隔布置的上层托板201和下层托板202，上层托板201前后侧固定连接在两支撑条204上，两支撑条204通过螺钉固定连接在金属防爆箱箱体1内侧，下层托板202通过四根支撑柱203固定连接在充电端子接口板3上，上层托板201和下层托板202竖直方向对应位置均设置有通孔，两通孔构成竖直插孔3，上层托板201的通孔内侧设置有缺口20，无人机电池15侧面设置有弹性锁扣21，通过弹性锁扣21和缺口20实现无人机电池15的限位和防脱锁定，充电端子接口板3前后侧固定连接在两固定条205上，固定条205通过螺钉固定连接在金属防爆箱箱体1内侧。

优选的，上述金属防爆箱箱体1内部底侧还安装有大容量自备电源7，大容量自备电源7采用大容量磷酸铁锂电池为待充动力电池，大容量自备电源7电连接到总充电端子6，大容量自备电源7进行多组一次或多次的充电补电，在总充电端子接入市电后将自动同时对自带锂电及箱内待充电池同时充电，确保下一次的外场使用，高效便捷。

优选的，上述充电端子接口板3上设置有红外对射模块8，红外对射模块8位于充电端子5旁，红外对射模块的两个模块分别安装在无人机电池15插接位置两侧，发送红外光被遮挡后，说明无人机电池就位，自动起到充电硬件进行充电。

优选的，上述金属防爆箱箱体1内安装有温度传感器11，温度传感器11固定连接在电池固定托架2上。

优选的，上述充电端子5设置多个，均匀间隔布置。

优选的，上述电池固定托架2上端设置有USB接口14，USB接口14电连接到总充电端子6。

优选的，上述一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路，还包括主控制板12，主控制板12通过上下两侧绝缘的连接条16竖直安装在金属防爆箱箱体1内部下侧，连接条16通过螺钉固定连接在金属防爆箱箱体1，主控制板12通过螺钉固定连接在连接条16上，主控制板12前侧设置有风扇10，风扇10背部固定安装有加热器9，加热器9上固定连接有散热器17，提高散热效果和箱体的加热效果。

优选的，上述主控制板12上设置有主控制器和子控制器，子控制器电连接到主控制器，主控制器电连接有显示屏13，显示屏13固定连接在旋转支架19上，旋转支架19铰接在箱盖4上，子控制器电连接有电流电压检测模块和固态继电器，电流电压检测模块和固态继电器电连接在充电端子与总充电端子间，主控制器还连接有通过电缆引出的遥控器充电接口，能够对遥控器进行充电，增加充电功能性。

优选的，上述主控制器还连接有温控器，温控器连接到温度传感器、加热器和风扇以及红外对射模块。

无人机电池智能移动防爆充电箱中，电池固定托架为限位式固定，待充电池通过固定托架定位后抵靠在充电端子接口板上并与充电端子保持稳定电连接，充电箱启动后，关闭充电箱盖，即可将待充电池与外界相隔离，实现防水、防爆等功能，箱盖和电池固定托架实现定位，可充分确保移动、震动等条件下充电的正常进行，关闭箱盖后，充电信息通过外置的显示器进行显示，充电情况一目了然，且可通过外置开关对充电箱信息及充电条件进行控制，内置充电控制电路板将根据设置自动对充电条件进行控制，在外场无市电依托情况下，充电箱将使用自带大容量磷酸铁锂电池为待充动力电池进行多组一次或多次的充电补电，在总充电端子接入市电后将自动同时对自带锂电及箱内待充电池同时充电，确保下一次的外场使用，高效便捷；为应对高温或低温条件对充电产生的不利因素，本发明无人机电池智能移动防爆充电箱还具有温控系统（温控器、温度传感器、风扇和加热器构成），对箱内环境温度进行恒温控制，确保箱内充电环境温度始终保持在20至25度的最佳温度区间；无人机电池智能移动防爆充电箱仅需调整电池固定托架、充电端子及自带电源容量即可适应不同类型的小微型无人机动力电池移动充电需求。

充电箱的效果如下：

（1）充电箱的结构能够实现充电、收纳、移动、防爆一体，避免了个别电池意外导致的严重后果，规范了充电时的现场条件，将开放式、平面式的充电现场变成了隔离的、封闭的、规范的现场，便于携带，固定托架通过插接孔插接和通过充电端子接口板支撑，起到限位导向作用，避免移动、震动等条件下充电的正常进行，能够快速实现安装和确保导电连接可靠性和稳定性；

（2）电池固定托架结构简单，重量轻，便于安装和携带充电箱，连接稳定可靠，导向性好；

（3）设置大容量自备电源进行多组一次或多次的充电补电，在总充电端子接入市电后将自动同时对自带锂电及箱内待充电池同时充电，确保下一次的外场使用，高效便捷；

（4）设置红外对射模块，便于监测电池插接就位情况，提高充电安全性；

（5）设置温度传感器，能够实时监测充电箱内温度，确保充电稳定性和安全性；

（6）多个充电端子实现并充，提高充电效率以及增加容纳空间；

（7）设置USB接口，便于实现USB设备的充电，增加充电功能性；

（8）主控板安装在一侧，便于安装，减少占用空间，设置风扇和加热器，便于实现充电箱内部温度的恒温控制，当需要升温时启动弄风扇和加热器，对充电箱内部进行加热升温，当需要降温时，仅仅需要打开风扇和箱盖进行吹风散热，起到安全和快速充电的作用；

（9）通过控制器和子控制器实现充电过程的电流电压监测和充电的启动和关闭；

（10）采用温控器与主控制器连接，实现温度的恒温自动控制以及电池就位的自动启动充电控制，确保箱内充电环境温度始终保持在20至25度的最佳温度区间。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路，其特征在于：包括主充电回路和控制充电电路，主充电回路包括依次连接的市电转24V大功率DCDC接口和主电流检测电路，主电流检测电路分流后连接到八个非隔离同步降压模块，八个非隔离同步降压模块分别连接到六个充电端子、USB充电接口和遥控器接口，控制充电电路包括主控电路和子控充电电路，子控充电电路采用三组，均连接到主控电路，三组子控充电电路和主控电路连接在六个充电端子、USB充电接口和遥控器接口之前的八个非隔离同步降压模块，每组子控充电电路和主控电路各自控制两个非隔离同步降压模块，还包括用于无人机电池智能移动防爆充电箱，该防爆充电箱包括金属防爆箱箱体、电池固定托架和充电端子接口板，金属防爆箱箱体上端设置有箱盖，内部从上到下设置有电池固定托架和充电端子接口板，电池固定托架上设置有嵌入无人机电池的竖直插孔，对应竖直插孔中心的充电端子接口板上设置有充电端子，充电端子电连接到总充电端子，总充电端子安装在金属防爆箱箱体侧壁外部；电池固定托架包括上下间隔布置的上层托板和下层托板，上层托板前后侧固定连接在两支撑条上，两支撑条通过螺钉固定连接在金属防爆箱箱体内侧，下层托板通过四根支撑柱固定连接在充电端子接口板上，上层托板和下层托板竖直方向对应位置均设置有通孔，两通孔构成竖直插孔，上层托板的通孔内侧设置有缺口，无人机电池侧面设置有弹性锁扣，通过弹性锁扣和缺口实现无人机电池的限位和防脱锁定，充电端子接口板前后侧固定连接在两固定条上，固定条通过螺钉固定连接在金属防爆箱箱体内侧；

市电转24V大功率DCDC接口通过止逆二极管后24V大容量锂离子电池进行充电；24V直流电源经止逆二极管后，通过主开关及主电流监测芯片后，分流进入八个非隔离同步降压模块；子控电路包括子控制芯片，子控制芯片采用STC15W408AS子芯片，一端口与电流检测模块的相连，对非隔离同步降压模块输出电流进行检测；子控制芯片的一端口经限流电阻限流后与固态继电器控制极相连接，对非隔离同步降压模块输出进行控制；非隔离同步降压模块经两分压电阻及止逆二极管之后，与固态继电器输入端相连；子控制芯片的一端口连接于两分压电阻之间，检测非隔离同步降压模块输出电压，子控制芯片通过TTL总线与主控芯片相连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路，其特征在于：主控电路还连接有温控电路。

3.根据权利要求2所述的一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路，其特征在于：温控电路包括温控芯片、温度传感器和继电器，温控芯片与温度传感器和两个继电器连接，两个继电器分别与风扇和加热器串接到供电电源。

4.根据权利要求2所述的一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路，其特征在于：温控电路还连接电池就位检测电路，电池就位检测电路包括六个红外对射模块。

5.根据权利要求1所述的一种用于无人机电池智能移动防爆充电箱的控制电路，其特征在于：主控电路还连接有显示电路。

Images